Проблема УТС

Физики, привыкшие экономно выражать с. оп мысли о физической природе вещей и событий и изображать их закономерности в виде формул и графиков, называют проблему овладения управляемым термоядерным синтезом коротко: проблема УТС.

В центре этой проблемы — плазма, наиболее распространенная форма вещества в природе. Мы уже знаем, что для слияния ядер легких элементов, скажем водорода и дейтерия, и получения энергии за счет этой реакции нужно сначала сильно нагреть оба элемента и перевести их в состояние плазмы смеси из электронов, оторвавшихся от атомов, и ионов-атомов, потерявших электроны и получивших в результате этого положительный заряд. При дальнейшем разогреве плазмы ядра в ней начинают сливаться с выделением энергии.

Величина ее будет зависеть как от температуры плазмы, так и от ее плотности, то есть от количества ионизированных атомов в единице объема.

Не при каждом соударении ионов происходит их слияние и выделение энергии. К сожалению, чаще всего столкновение будет происходить так, что ионы, упруго соударившись, разлетятся в разные стороны, как бильярдные шары. И только в некоторых отдельных случаях столкновение приведет к слиянию ионов, к синтезу их ядер с выделением энергии. Осуществление такого события тем вероятнее, чем выше скорости соударяющихся ионов, то есть чем выше температура плазмы. Не вызывает сомнения, что чем больше ионов в единице объема, тем вероятнее их столкновение, тем чаще станут сливаться ядра, следовательно, тем больше выделится термоядерной энергии. Каковы же величина и скорость ее освобождения?

Пусть в кубическом сантиметре плазмы находится тысяча триллионов (10¹⁵) атомов дейтерия. Тогда при температуре около 40 миллионов градусов мощность, выделяемая в одном кубическом сантиметре плазмы, будет равна всего 0,05 ватта. Это не очень много. Если для сравнения мощность обычной, включенной в сеть электрической лампочки отнести ко всему ее объему, то на один кубический сантиметр придется около одного ватта мощности, то есть в двадцать раз больше. Как же можно повысить мощность, выделяющуюся в плазме?

Конечно, увеличивая ее температуру. Например, если нагреть плазму до 400 миллионов градусов, то мощность увеличится до 7 ватт на кубический сантиметр.

Но ведь нужно еще как-то получить такую колоссальную температуру! Может быть, попробовать другие элементы? Очень заманчиво было бы использовать для синтеза водород, наиболее доступный и распространенный в природе элемент. Увы! Оказывается, соударения ионов водорода очень редко заканчиваются слиянием их ядер с выходом энергии. Поэтому мощность, выделяемая в единице объема водородной плазмы, очень мала.

Однако в недрах Солнца реакция взаимодействия ядер водорода протекает с заметной скоростью даже при меньшей температуре, равной всего 20 миллионам градусов. В чем же здесь дело? Оказывается, в том, что на Солнце плотность плазмы в значительной степени выше.

Кроме того, и это особенно важно, относительно малая величина мощности, выделяемой в единице его объема, не имеет особого значения, так как масса светила огромна и во всем его объеме происходит громадное количество реакций, обеспечивающих его «горение».

Но для земных условий нужно искать более интенсивные процессы. К счастью, один такой есть: это реакция двух изотопов водорода — тяжелого и сверхтяжелого, дейтерия и трития. При 40 миллионах градусов и плотности 10¹⁵ ядер в кубическом сантиметре мощность, выделяемая в такой плазме (Д-Т), составляет около 2 ватт в кубическом сантиметре, а при температуре 100 миллионов градусов уже около 50 ватт.

Как мы увидим дальше, нагреть плазму до такой высокой температуры очень сложно. Поэтому возникает вопрос: а нужно ли стараться так ее поднимать? Ведь и при меньшей температуре энергия все равно будет выделяться!

Стараться, к сожалению, нужно. И вот почему: мы хотим получить такой источник энергии, в котором происходила бы самоподдерживающаяся реакция синтеза.

Другими словами, нам нужно создать установку, в которой энергия, затраченная на создание плазмы с высокой температурой, то есть на получение термоядерной реакции, была бы существенно меньше выделяющейся.

Картина здесь подобна зажиганию костра. Мы знаем, что получим от него тепловой энергии больше, нежели от зажженной спички, сыгравшей роль поджигателя.

По мере повышения температуры плазмы потери тепла, то есть потери энергии, увеличиваются. Происходят они в виде тормозного рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии электрона с электрическими полями ионов. При наличии в плазме магнитных полей возникает еще так называемое синхротронное (циклотронное) излучение, обусловленное центростремительным ускорением частиц, вращающихся в магнитном поле.

Итак, по мере увеличения температуры величина энергии, выделяющейся при синтезе в единицу времени, возрастает. Но с ростом температуры увеличиваются и потери тепла из плазмы. Казалось бы, это плохо. Однако в рассматриваемой области температур (50- 150 миллионов градусов) выделение энергии с повышением температуры растет быстрее потерь. А это означает, что существует какая-то температура, при которой величина выделяемой энергии сравняется с ее потерями. Она будет для данного процесса минимальной, или, как аттестуют ее физики, критической. Для реакции дейтерия с тритием она равна примерно 40 миллионам градусов. На самом же деле необходимая температура должна быть более высокой. Ведь еле теплящийся костер может быстро погаснуть из-за потерь тепла, вызванных ветром или дождем. А если он хорошо разгорается, температура его высока и пламя пышет, то он будет гореть даже в непогоду, то есть при больших потерях энергии.

Что еще нужно предпринять, чтобы осуществить в плазме самоподдерживающуюся реакцию синтеза?

Мы пока почти ничего не говорили о ее плотности.

Для примера была взята величина 10¹⁵ атомов в кубическом сантиметре, что приблизительно соответствует одной десятитысячной плотности земной атмосферы, то есть практически — это вакуум. Если ее еще понизить, то скорость выделения энергии — мощность — окажется слишком малой, чтобы представлять практический интерес. Ну а если повысить, приравнять, например, к плотности воздуха при атмосферном давлении? Тут мы столкнемся с другой неприятностью: по мере роста температуры такой плазмы начнется стремительный рост давления, которое достигнет сотен тысяч атмосфер. Никакие стенки сосудов не смогут удержать такой напор!

Вот почему в различных проектах термоядерных установок плотность плазмы выбирают в диапазоне 10¹⁶ частиц в кубическом сантиметре.

Как это часто бывает, решение одной проблемы вызывает другую, которую также нужно решать. При таких низких плотностях в плазме, несмотря на очень высокие температуры, при которых естественны большие скорости движения, ядра элементов проходят громадный путь (до ста тысяч километров!) прежде, чем вступают в реакцию синтеза. (Конечно, соударяться между собой они будут гораздо чаще, однако эти соударения будут упругими, что не приводит к синтезу.)

Но если ядра совершают такой большой путь, значит, они будут налетать и на стенки сосуда и, отражаясь от них, терять энергию. Этого как раз и нельзя допускать.

Интересно, что основной проблемой здесь оказалось не испарение стенок камеры, в которую заключена плазма. При указанной выше и даже большей плотности и температуре в десятки миллионов градусов стенки сосуда, сдерживающего плазму, не только не расплавляются, а даже не повреждаются. Проблема состоит в том, чтобы в результате контакта с ними плазма не охлаждалась и термоядерная реакция не затухала. Значит, нужно освоить такой метод удержания ее частиц, который исключал бы соприкосновение их со стенками.

На Солнце и в других звездных телах удержание частиц происходит за счет сил гравитации, являющихся эффективным барьером на пути их движения. Однако на Земле эти частицы так не удержать, слишком мала здесь сила гравитации. И вот тут-то и наступил один из критических поворотов в проблеме УТС. Казалось, что плазму при температуре в несколько десятков миллионов градусов невозможно «запереть» ни в какой лабораторной, а тем более в промышленной энергетической установке.

В 1949 году американские теоретики-ядерщики Г. Гамов и У. Критчфилд высказали мнение, что управляемый термоядерный синтез вообще проблема технически не осуществима. Но прошло чуть более года, и ученые предложили использовать для удержания плазмы — магнитное поле. Оно оказалось очень эффективным барьером на пути частиц плазмы.

Несмотря на то что в целом плазма нейтральна, она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательных частиц — электронов. В сильном магнитном поле их беспорядочное движение переходит в движение по спиралям вдоль магнитных силовых линий. Оказывая давление на заряженные частицы, это поле будет сдавливать их в шнур и таким образом изолировать от стенок сосуда.

Мы пока ни слова не сказали еще об одной важной проблеме: как разогреть плазму до нескольких десятков миллионов градусов. А она совсем не проста.

Обычные химические методы нагрева, какими мы привыкли пользоваться в нашей повседневной практике или в промышленных условиях, здесь не подходят: ведь нет химического источника нагрева, способного развить миллионоградусные температуры. Еще задолго до того, как будут достигнуты миллионы градусов, атомы такого топлива лишатся своих электронов, и, следовательно, будут нарушены все законы химического взаимодействия вещества. Да если бы и был такой химический источник, то еще неизвестно, каким путем можно передать его тепло плазме. Лучеиспусканием? Но она прозрачна и не воспримет тепловое излучение. Конвекцией?

Но где стенки, через которые можно передавать тепло?

Они еще не существуют. Смешать плазму с более горячим газом? Но где его взять?

Каким же образом мгновенно подводить громадное количество тепла к газу, чтобы превратить его в плазму и разогреть?

В водородной бомбе термоядерное топливо зажигают взрывом атомной бомбы, в которой источник энергии — деление ядер. Но ведь мы должны получить не взрыв, а управляемый синтез? А что, если воспользоваться электрическим током?

Эта мысль у физиков возникла одной из первых.

Ведь нагреваем же мы таким образом спирали электроплиток и лампочек! А в некоторых экспериментах при пропускании тока через очень тонкие металлические проволочки температура достигает десятков тысяч градусов.

Известно, что если к электродам, между которыми находится газ, приложить напряжение, то произойдет пробой, газ ионизируется, затем превратится в плазму, через которую потечет электрический ток (пробой), и из-за электрического сопротивления в ней будет выделяться тепло. С помощью такого так называемого омического нагрева можно достичь высокой температуры.