Posted by ფარდობითობის თეორიის თანახმად, მასა, ენერგიის განსაკუთრებული ფორმაა, რაზეც აინშტაინის ცნობილი ფორმულაც მეტყველებს — E = mc2. ფორმულიდან გამომდინარე, მასა შეიძლება გადაიქცეს ენერგიად და პირიქით. შიდაატომურ დონეზე ასეთი გარდაქმნები რეალურად მიმდინარეობს. კერძოდ, ატომის ბირთვის მასის ნაწილი ენერგიად შეიძლება გარდაიქმნას, ეს კი ორი გზით ხდება. 1) დიდი ბირთვი რამდენიმე მცირე ბირთვად შეიძლება გაიყოს – ამ პროცესს დაშლის რეაქციას უწოდებენ. 2) რამდენიმე პატარა ბირთვი ერთ დიდ ბირთვად შეიძლება გაერთიანდეს – სინთეზის (შერწყმის) რეაქცია. დაშლისა და სინთეზის რეაქციის პროდუქტის მასა, რეაქციაში მონაწილე ელემენტების საერთო მასაზე მცირეა. მასის სწორედ ეს დანაკლისი გარდაიქმნება ენერგიად (ფოტონებად).
დაშლა
ურანი, რამდენიმე იზოტოპის სახით გვხვდება ბუნებაში, ერთ-ერთი მათგანი ურანი-235 (235U) ბუნებრივად იშლება ენერგიის გამოყოფით. კერძოდ, 235U-ის ბირთვში საკმარისად სწრაფი ნეიტრონის მოხვედრისას ის ორ დიდ ნაწილად და ნაწილაკებად იშლება, ჩვეულებრივ, ორი ან სამი ნეიტრონის ჩათვლით. დიდი ფრაგმენტებისა და დანარჩენი ნაწილაკების საერთო მასა, საწყის ბირთვისაზე ნაკლებია. ეს ის დანაკლისია, რომელიც ენერგიად დაშლის პროდუქტთა შორის გადანაწილდა – უპირვეელს ყოვლისა, კინეტიკურ ენერგიაზე. სწრაფად მოძრავი ნაწილაკები დაშლის ადგილიდან იფანტება, ნივთიერების სხვა ნაწილაკებს ეჯახება და აცხელებს მათ.
ურანის მადანში 235U-ის შემცველობა მთლიანი მასის მხოლოდ 0,7%-ია, დანარჩენი 99,3% კი შედარებით მდგრად (მცირე რადიაციით) იზოტოპზე მოდის – 238U, რომელიც თავისუფალ ნეიტრონებს შთანთქავს და მათი ზემოქმედებით არ იშლება. ამიტომ, ურანის ატომურ საწვავად გამოსაყენებლად მისი გამდიდრებაა საჭირო – ანუ რადიოაქტიური 235U-ის შემადგენლობის მინიმუმ 5%-ზე აყვანა (ოკლო: უძველესი აფრიკული რეაქტორი).
ამის მერე, ურანი-235, რეაქტორში გამდიდრებული ბუნებრივი ურანის შემადგენლობაში, ნეიტრონების ბომბარდირებით იშლება. ამის შედეგად ურანის ერთი ბირთვისგან საშუალოდ 2,5 ახალი ნეიტრონი გამოიყოფა, თითოეული მათგანი ბირთვების კიდევ 2,5 ნეიტრონად დაშლას იწვევს – იწყება ე.წ. ჯაჭვური რეაქცია. რეაქცია არ გაჩედრება, თუ დაშლადი ბირთვების მიერ გამოტყორცნილი ნეიტრონების რაოდენობა ურანის საწვავიდან გამოსული ნეიტრონების რაოდენობაზე მეტი იქნება. ასეთ შემთხვევაში რეაქცია ენერგიის გამოყოფით მიმდინარეობს(ატომი).
ატომურ ბომბში რეაქციას გამიზნულად არამართვადი ხასიათი აქვს, რის შედეგადაც წამზე მცირე დროში 235U-ის ბირთვების უამრავი რაოდენობა იშლება და კოლოსალური დამნგრეველი ძალის მქონე ენერგია თავისუფლდება. ატომურ რეაქტორებში უკონტროლო რეაქცია დაუშვებელია, მის ინტენსიურობას ნეიტრონების კარგი მშთანთქმელით აკონტროლებენ, მაგალითად, კადმიუმით. კადმიუმის ღეროების რეაქტორში ჩაშვებით ენერგოგამოყოფის საჭირო დონე მიიღწევა, ხოლო ამოღებით, ენერგოგამოყოფის მატება. ეს ენერგია წყალს აცხელებს, წყლის ორთქლი ტურბოგენერატოებს აბრუნებს და სითბური ენერგია ელექტოენერგიად გარდაიქმნება.
სინთეზი (შერწყმა)
ის მუდმივად მიმდინარეობს პრაქტიკულად ყველა ვარსკვლავის წიაღში. წყალბადის ოთხი ბირთვი(ანუ პროტონები) წარმოქმნიან ჰელიუმის ატომს (2 პროტონი და 2 ნეიტრონი) სხვა ნაწილაკების გარემოში გამოყოფით. ისე როგორც ბირთვის დაშლის დროს დარჩენილი ნაწილაკების მასა ნაკლებია რეაქციამდელი ნაწილაკების საერთო მასაზე, აქაც წარმოქმნილი ნაწილაკი მსუბუქია რეაქციამდელი პროდუქტის (წყალბადის ბირთვების საერთო მასაზე) – სწორედ მასის ეს დანაკლისი გამოსხივდება ნაწილაკების სახით, რომლებიც თავის მხრივ აცხელებენ ვარსკვლავს.
ბირთვის შემადგენელი პროტონები როგოც ვიცით დადებითად არიან დამუხტულნი, ერთი ნიშნით დამუხტული ნაწილაკები კი განიზიდებიან, ამიტომ მათი გაერთიანებისთვის საჭიროა ამ ძალების გადალახვა და პროტონების ერთმანეთთან მაქსიმალურად მიახლოება, ანუ პროტონებს უნდა მიენიჭოს ძალიან მაღალი კინეტიკური ენერგია, ასეთი მიახლოება კი მაღალი ტემპერატურითა და წნვითაა შესაძლებელი, ისეთით, როგორსაც ვარსკვლვების უზარმაზარი მასა თავისსავე ცენტრზე დაწოლით უზრუნველყოფს. პროტონების ერთმანეთთან მიახლოებისას თავს იჩენს ელექტრულ განზიდვაზე გაცილებით ძლიერი, ბუნებაში არსებულ ოთხ ფუნდამენტურ ძალას შორის ყველაზე ძლიერი ურთიერთქმედება და პროტონებს ბირთვში აკავებს. ხდება სინთეზი ანუ შერწყმა, ზედმეტი ენერგიის მიღებული ბირთვიდან გარეთ გამოსხივებით.
ვარსკვლავების სიღრმეებში სინთეზი სამ ეტაპად მიმდინარეობს. თავიდან ორი პროტონი ერთიანდება დეითერიუმად (1 პროტონი და ერთი ნეიტრონი). შემდეგ, დეითერიუმის ბირთვში კიდევ ერთი პროტონის მოხვედრით, წარმოიქმნება ჰელიუმ – 3 (2 პროტონი და 1 ნეიტრონი). საბოლოოდ ჰელიუმ-3-ის ბირთვები ერთმანეთს ეჯახებიან და ჰელიუმ-4-ად გარდაიქმნებიან, 2 პროტონი და სხვა ნაწილაკები. ეს სამ ეტაპიანი რეაქცია ოთხ პროტონს ჰელიუმ-4-ად აერთიანებს ენერგიის გამოყოფით, რომელიც სწრაფ ნაწილაკებს გამოაქვთ, პირველ რიგში ფოტონებს.
ბუნებრივი სინთეზი ვარსკვლავებში მიმდინარეობს, ხელოვნური კი თერმობირთვულ ბომბში. სამწუხაროდ მეცნიერები ვერ ახერხებენ საშუალების მოძებნას, რომელიც ასეთ რეაქციას მართვადს გახდიდა, გამოყოფილი ენერგიის მშვიდობიანი მიზნებით გამოყენებისთვის. ასეთი მაღალი ტემპერატურა ნებისმიერ მატერიას მომენტალურად გაადნობს, ამიტომ მაღალტემპერატურული პლაზმის ლაზერული სხივებით ან ზემძლავრი ტოროიდალური მაგნიტებით შეკავებაზე მიმდინარეობს მუშაობა.