Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, если отвлечься от ее нерегулярных колебаний, с возрастанием атомного номера сначала систематически возрастает, достигает максимума вблизи ядра железа, а затем начинает систематически убывать. Иными словами, слияние (или синтез) легких ядер и деление тяжелых приводят, как правило к более прочной связи между нуклонами. Отсюда следует, что при делении тяжелых ядер и при синтезе легких должна освобождаться энергия. О первом явлении и его использовании в ядерной физике уже говорилось. При делении ядра урана-235 освобождается энергия, составляющая около 0,85 МэВ на нуклон.
Таким образом, как и при делении тяжелых ядер, в реакциях синтеза легких освобождается энергия, в миллионы раз превосходящее тепло, получающееся при сжигании химического топлива (уголь, нефть). Однако получение этой энергии в макроскопических количествах, к величайшему сожалению, удалось пока только для военных целей. В водородной бомбе реакции осуществляются с огромной скоростью и сопровождаются чудовищным взрывом. По этой причине они совершенно неуправляемы. Для использования энергии этих реакций в мирных целях необходимо придать им спокойный управляемый характер.
Можно осуществить реакции слияния легких ядер, ускоряя на ускорителе ядра одного изотопа и бомбардируя ими мишени из изотопа того же или другого элемента. Однако такой метод применим и действительно применяется для излучения ядерных реакций, а также для получения нейтронов. Но он совершенно не годится для получения ядерной энергии в промышленных масштабах, если даже воспользоваться сильноточным ускорителем. Дело в том, что эффективные сечения ядерных реакций, хотя и быстро возрастают с увеличением относительной скорости сталкивающихся ядер, но даже в оптимальных условиях несравненно меньше эффективных сечений атомных столкновений. При столкновениях кинетическая энергия ускоренных ядер быстро растрачивается на ионизацию и возбуждение атомов мишени. Оставшейся энергии ускоренного ядра в подавляющем большинстве случаев совершенно недостаточно для его слияния с ядром мишени. В результате почти все столкновения ядер не будут завершаться ядерными реакциями. Полученная таким путем ядерная энергия будет ничтожна по сравнению с энергией, которую надо затратить для осуществления ускорения ядер с помощью ускорителя.

 

* * *

В 1939 году известный американский физик Бете дал количественную теорию ядерных источников звёздной энергии. Как уже и упоминалось, это термоядерные реакции. Как известно, звёзды по большей части состоят из водорода, поэтому вероятность столкновения двух протонов очень велика. При столкновении протона с другим протоном он может притянуться к ядру за счёт ядерных сил. Ядерные силы действуют на расстояниях порядка размеров самого ядра. Для того чтобы приблизится к ядру на столь малое расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу электростатического отталкивания. Ведь ядро тоже заряжено положительно. И всё же этого оказывается как раз достаточно, чтобы ядерные реакции происходили с такой скоростью, что выделяющаяся энергия точно соответствовала бы светимости звёзд.
По современным представлениям термоядерные реакции протекают в недрах звезд и Солнца, в результате чего из протонов получаются ядра гелия. Этот процесс может иметь несколько различных промежуточных стадий, но конечный результат один - четыре протона превращаются в ядро гелия:
В процессе этого превращения выделяется 26,7 МэВ энергии, значительная часть которой (от 2 до 19 %) уносится нейтрино. Из-за чрезвычайно малого сечения этого процесса его невозможно осуществить в земных условиях.
На Земле термоядерные реакции в относительно крупных масштабах удалось осуществить только в испытательных взрывах термоядерных, или «водородных» бомб.

 

При использовании термоядерного топлива, как и при использовании делящихся ядер, не приходится сжигать мировые запасы кислорода или углеводородов, так что в атмосферу не попадают углекислый газ и другие продукты сгорания. В отношении загрязнения окружающей среды (то есть с экологической точки зрения) термоядерный реактор обладает громадным преимуществом по сравнению с реактором деления. В реакциях ядерного деления образуется много долгоживущих радиоактивных отходов, захоронение которых является непростой задачей. В термоядерном реакторе эта задача не стоит, так как в реакциях синтеза долгоживущих радиоактивных отходов не образуется. В этих реакциях основными продуктами будут нейтроны, нерадиоактивные атомы гелия и водорода, а также ядра трития. Правда, тритий радиоактивен, он испускает ионизирующую радиацию в виде β-частиц с максимальной энергией 18 кэВ. Но тритий является одним из наименее токсичных радиоактивных изотопов, тогда как плутоний, служащий топливом в ядерных реакторах – один из наиболее токсичных из известных нам радиоактивных материалов. Кроме того, в реакциях тритий сам является термоядерным топливом, так что его можно возвратить в активную зону реактора для дальнейшего сжигания. В результате эффективное время жизни трития сводится примерно к 5 дням вместо обычных 18 лет.

 

* * *

Термоядерные реакции являются источником энергии звёзд, поэтому можно представить этот неисчерпаемый источник энергии. Ведь его хватает на миллиарды лет. Это обстоятельство побудило многих учёных искать искусственных термоядерных реакций. Однако они идут при «жестоких» условиях. В последнее время идут разработки лазерного термоядерного синтеза. В скором будущем человечество сможет полететь на соседние планеты и космическому кораблю будет необходим источник большой энергии, коим и является термоядерная реакция.
Осуществление в земных условиях управляемого термоядерного синтеза должно полностью решить проблему снабжения человечества энергией, по крайней мере, на необозримое будущее. Существующие запасы дейтерия в водах морей и океанов в виде примеси тяжелой воды являются практически неисчерпаемым источником термоядерного топлива. Например, количество дейтерия в стакане воды, несмотря на столь малую концентрацию, энергетически эквивалентно 60 литрам бензина.