Тайна солнечной реакции

Тайна солнечной реакции

— Термоядерные электростанции?.. Да, несомненно, они будут построены, — сказал академик Лев Андреевич Арцимович. — И, может быть, не в XXI веке, а в нашем.

Всего четверть века понадобилось человеку, чтобы научиться расщеплять, раскалывать тяжелые ядра атомов радиоактивного урана. Уже дают ток первые атомные электростанции, вышел в плавание первый в мире советский атомный ледокол.

Но сегодня атомная энергетика, основанная на делении ядер тяжелых элементов, уже не является последним словом науки. По общему мнению физиков, следующим шагом энергетики должно быть промышленное использование термоядерных процессов, реакций синтеза, «пережигания» водорода в гелий.

Вопрос стоит так: удастся ли заменить термоядерный взрыв спокойным, управляемым «горением»? Можно ли найти способы постепенного высвобождения термоядерной энергии, чтобы использовать ее не для разрушения, а для мирного созидания? Скажем прямо, за все время своего существования человечество впервые столкнулось со столь сложной научно-технической задачей.

Коротко о топливе для термоядерных реакций. Как известно, у водорода три изотопа — обычный водород, дейтерий, имеющий вдвое больший атомный вес, и тритий — втрое более тяжелый. При соединении ядер этих изотопов друг с другом получаются ядра другого элемента — гелия и выделяются огромные количества энергии.

Изотопы водорода — поистине волшебное по своим качествам топливо, но мы еще не знаем двигателя, в котором мы могли бы это топливо использовать. Мало того, если не считать яростный клубок взрыва водородной бомбы, никому никогда не удавалось осуществить водородную реакцию.

Главная трудность осуществления водородной реакции — создание и поддержание высокой температуры.

Для того чтобы два ядра изотопа водорода, слившись в одно, образовали ядро гелия и выделили при этом энергию, надо их сблизить друг с другом. А сближаться они «не хотят». Ведь оба ядра обладают положительными зарядами, и силы электрического отталкивания не позволяют им сблизиться. Для того чтобы преодолеть эти силы отталкивания, надо разогнать ядра и с очень большой скоростью столкнуть их. Разогнать ядра, сообщить им большую скорость и означает, что их надо нагреть до высокой температуры. Даже при температуре в миллион градусов термоядерная реакция тючти неощутима, ядра почти не сталкиваются между собой. Только при температуре в несколько сот миллионов градусов можно сделать выделение термоядерной энергии заметным.

Но нагреть газ, состоящий из изотопов водорода, до температуры в несколько сот миллионов градусов — это только полдела. Надо этот газ — он имеет совершенно особые свойства, и поэтому его называют плазмой — и удержать при такой температуре, не дать ему охладиться. А плазма охлаждается удивительно легко и быстро. Ее теплопроводность в миллион раз больше, чем у самого теплопроводного металла — серебра;

Конечно, ни одно из известных нам веществ не может выдержать, оставаясь в твердом состоянии, температуру, например, в 100 миллионов градусов. Уже при четырех-пяти тысячах градусов они плавятся и испаряются. Да если бы и нашлось твердое вещество, способное выдержать температуру в миллионы градусов, мы не смогли бы сделать из него сосуд для «хранения» высокотемпературной водородной плазмы. Ведь едва эта плазма пришла бы в соприкосновение со стенкой нашего сосуда, она сразу бы остыла, и термоядерная реакция в ней прекратилась. Как же быть? Из чего сделать сосуд для хранения плазмы, имеющей стомиллионноградусную температуру?

Советские ученые предложили применить для этой цели сосуд из электромагнитных полей — своеобразную магнитную бутыль.

Действительно, ведь плазма состоит из заряженных частиц, и можно создать такое замкнутое электромагнитное поле, сквозь которое частицы плазмы уже не смогут прорваться.

Представьте трубу, которая под очень малым давлением наполнена тяжелым водородом — дейтерием. Пропустим сквозь дейтерий вдоль оси трубы электрический заряд. Он не только раскаляет водород до состояния горячей плазмы, но и заставляет плазму сжаться, собирает ее к оси разрядной трубы в плотно стиснутый «шнур». Ведь при прохождении тока вокруг него возникает концентрическое электромагнитное поле. Оно-то и сжимает дейтерий в «шнур», отодвигает его от стенок трубы к ее центральной оси.

Нужно пропустить через плазму как можно более мощный электрический разряд за возможно более короткий промежуток времени. Тогда брошенные к оси цилиндра ядра водорода получат такой разгон, что смогут сблизиться, преодолеть силы взаимного отталкивания и слиться, вступить в термоядерную реакцию. До этого мы только тратим энергию, а с момента начала реакции будем получать ее. Сейчас уже ставятся опыты, в которых импульсный ток нарастает с очень большой скоростью— 10 миллиардов и даже 100 миллиардов ампер в секунду. Мы наблюдаем излучение нейтронов, которые служат признаком приближения термоядерной реакции.

Надо увеличить силу и быстроту импульсного разряда, чтобы продвинуться дальше в область сверхвысоких температур.

Но тут возникают новые трудности.

Первая и самая главная — неустойчивость плазменного «шнура». Колоссальная теплопроводность и малая теплоемкость плазмы приводят к мгновенному падению температуры, стоит только «шнуру» коснуться стенки цилиндра. Здесь страшен уже не разгон реакции, как в урановом котле, а, наоборот — ее затухание. Затухание это происходит мгновенно, в миллионные доли секунды, и не поддается пока управлению.

Можно и постепенно наращивать величину тока.

Установка, в которой ток нарастает медленно, должна иметь вид не цилиндра, а бублика. Трубу согнули в кольцо. Теоретическое исследование такого «бублика» было широко развернуто в Институте атомной энергии под руководством академика М. А. Леонтовича.

Все шло хорошо до тех пор, пока от этих установок не потребовалась работа на полную мощность. В действие вступили новые факторы, которые нельзя было полностью предвидеть и учесть. Выяснилось, что даже тогда, когда плазменный «шнур», казалось бы, должен быть полностью изолирован от стенок, энергия из плазмы уходит. Потери ее настолько велики, что поднять температуру плазмы до того уровня, который нужен для хода термоядерной реакции, не удается. И мы не знаем точно пока тех лазеек, в которые ускользает энергия. Но, безусловно, и эта загадка будет решена.

Можно представить себе и принципиально иное устройство в качестве сосуда для сохранения высокотемпературной плазмы. Не такое, в которое мы помещаем холодную плазму, а затем ее нагреваем, как воду в самоваре, а нечто вроде термоса, в который мы «наливаем» горячую плазму и который обладает столь высокой теплоизоляцией, что не позволяет ей остывать. Конечно, стенки и такого «термоса» должны состоять из электромагнитного поля.

Такие «термосы» существуют. Их называют магнитными ловушками.

В отличие от других устройств магнитные ловушки удерживают плазму в основном электромагнитными полями, созданными внешними соленоидами. Внутренние токи плазмы не играют тут решающей роли.

Нагревать плазму можно, «впрыскивая» в ловушку быстрые ионы из мощного ускорителя. Можно сделать и по-другому: наполнить ловушку плазмой, а уже затем нагревать плазму динамическими магнитными полями или же током высокой частоты. Наконец, можно получать быстрые ионы и внутри ловушки, ускоряя собственные ионы плазмы постоянным или переменным электрическим полем.

Разработкой такой магнитной ловушки занимались многие советские физики. В 1950 году академик А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили первую конкретную модель магнитного термоядерного реактора, в котором предполагалось ионизировать и нагревать разреженный дейтерий. На внешнюю поверхность камеры-«бублика» навивается проволочная катушка, которая создает внутри нее сильное продольное магнитное поле.

Среди разных типов ловушек интересны ловушки с так называемыми магнитными пробками. Впервые их теоретическое исследование начал в 1953 году советский физик Г. П. Будкер. Возьмите пучок гибких ивовых прутьев и сильно стяните проволокой их концы. Перед вами — грубая схема ловушки с магнитными пробками. Вместо прутьев у нее силовые линии магнитного поля, а вместо проволоки на концах пучка — мощные магнитные связки, или, как говорят, пробки. Частицы заперты в центральной, несколько расширенной части пучка и непрерывно мечутся в пространстве между двумя пробками, отскакивая от «стенок». Но и тут частицы плазмы не удается закрыть наглухо. Как только какая-нибудь из них, столкнувшись с другой, начинает двигаться точно вдоль магнитых силовых линий, магнитные пробки не в состоянии удержать ее, и она уходит из ловушки.

Как построить ловушку, которая удерживала бы все частицы, не знает пока никто. Но можно создать такие магнитные системы, где лазейки-, в которые «удирают» частицы, будут резко уменьшены. И когда их создадут, станет возможным поставить задачу непосредственного конструирования термоядерной электростанции.

Как она будет выглядеть? Рано пока еще фантазировать о ее деталях. Но представить себе ее общую схему уже можно.

Вероятно, это будет довольно компактная установка типа замкнутой довольно сложной «бубличной» камеры. Внутри у этого «бублика» будет пылать сильно нагретый плазменный «шнур», а кругом его обступят сложные машины, подводящие к нему ток, а также питающие обмотку основного магнитного поля. Вокруг «бублика» расположится, очевидно, несколько обмоток, в том числе для создания дополнительной устойчивости плазменного «шнура». Все это будет погружено в водяную рубашку, поглощающую нейтроны, охлаждающую стенки «бублика». Это тепло также можно будет использовать на тепловых электростанциях обычного типа.

Если «бублик» сделать диаметром около 10 метров и толщиной 1–2 метра, то мощность электростанции достигнет примерно миллиона киловатт.

В#принципе возможно и прямое превращение части термоядерной энергии в электрическую. Когда плазма после сильного сжатия расширяется, она отжимает силовые линии магнитного поля к стенкам камеры. Они пересекают провода катушек, оплетающие «бублик». В них возникает ток. Пульсируя, плазма работает, как вращающийся ротор электрогенератора. Если удастся когда-либо перевести работу такой электростанции на чистый дейтерий (а это будет, видимо, очень не скоро), можно ожидать, что половина энергии станции будет непосредственно превращаться в электричество.

Это значит, что электрический коэффициент полезного действия ТЯЭС может превосходить 50 процентов. Как видите, многие технические детали и цифры станции можно легко предвосхитить в теоретических расчетах и предположениях. Но пусть вас не обольщает легкость, с которой сейчас многие говорят о деталях электростанции будущего. Пока еще не решена самая главная проблема — не удается практически получить и удержать в реакторе устойчивый «шнур» горячей плазмы. Некоторые ученые даже высказывают сомнение, удастся ли людям в принципе осуществить управляемую термоядерную реакцию. Ведь время, на которое нам удается ее растянуть, смехотворно мало. Как великую победу физики отметили случай, когда плазменный «шнур» продержался в реакторе не миллионную, а стотысячную долю секунды. Положение осложняется неустойчивостью самого объекта исследований.

Иногда сравнивают открытие физиками термоядерной энергии с подвигом Прометея, который украл огонь у богов и научил людей, как с ним обращаться. Что можно сказать об этом сравнении? Если уж пускаться в рискованные аналогии, то нужно прямо и недвусмысленно поставить все на место: физики сделали меньше чем половину дела. Они «украли» у природы огонь, которым светит и греет солнце, но принесли его на землю не в виде спокойного управляемого пламени, а в виде взрывов термоядерных бомб. Физики еще не научили людей, как использовать этот огонь для мирных дел, потому что сами этому пока не научились. Но научатся! И тогда орел, прилетающий терзать печень прикованного к скале Прометея, улетит и не вернется. Тогда совесть всех честных ученых мира будет спокойна. Их уже не будет мучить сознание, что величайшее открытие науки XX века может быть использовано во вред человечеству. Термоядерная энергия — огонь нового Прометея — станет служить миру и созиданию.

Как видите, впереди еще огромная и трудная работа. Но цель ее бесконечно заманчива!