Термояд, каков он сегодня

Вот уже около трех десятков лет человечество следит за попытками физиков получить управляемую термоядерную реакцию. Отдельные, весьма значительные сами по себе, достижения физиков в этой области пока не превращаются в окончательную победу. Прогнозы становятся все менее оптимистичными, сроки их исполнения переносятся на более позднее время...

Какие новые пути видят ученые! С какими техническими трудностями они сталкиваются!

ФЕОКТИСТОВ. Долгое время первый термоядерный реактор будущего представляли чем-то наподобие «Токамака» — тороидальная камера с топливом — тяжелыми изотопами водорода, тритием и дейтерием, в которой мощный плазменный ток создает температуру около ста миллионов градусов и полученная горячая термоядерная плазма удерживается от разлетания магнитными полями до тех пор, пока топливо не прореагирует — синтезируется в гелий с выделением запланированного количества энергии, около десяти тысяч мегаджоулей за десять секунд, скажем. Главным параметром термоядерной реакции, когда температура уже достигнута, является критерий, равный произведению количества ядер водорода в единице объема на время удержания плазмы в данном месте. Таким образом, более разреженную плазму требуется сдерживать и большее время, чтобы успели прореагировать ядра. Для получения энергетически выгодной термоядерной ре акции этот критерий, имеющий размерность «плотности времени», должен быть не менее 1014 секунд в кубическом сантиметре (конечно, при соответствующей температуре). Полученные рекорды раз в десять, если не в сто, меньше. Отдельно от «плотности времени» получена уже температура термоядерного зажигания — 80 миллионов градусов на американском «Токамаке PLT».

По мере того, как «Токамаки» и им подобные установки приближались к термояду, все меньшие успехи достигались все большими усилиями. Конечно, цель будет достигнута и это вполне может случиться даже ранее конца текущего десятилетия. Но у этих установок есть неустранимый, по-видимому, недостаток — энергия выделяется практически в том же месте, где расположена магнитная система удержания термоядерной плазмы. Из-за этого придется ограничивать мощность промышленных термоядерных реакторов либо — строить колоссальные установки...

В начале шестидесятых годов Н.Г. Басов, ныне академик, лауреат Нобелевской премии по физике за создание квантовых генераторов, и его сотрудник О.Н. Крохин выступили на международной конференции с предложением нового вида термояда — лазерного.

БЕЛОКОНЬ. Почти одновременно с ними аналогичное предложение было опубликовано физиком из МГУ Э.С. Ворониным, который в то время выполнял функции профессора физики Кабульского университета. Впоследствии Воронин стал заместителем академика РВ. Хохлова по лазерным делам, но к термоядерным проблемам больше не обращался...

ФЕОКТИСТОВ. Во многих странах выступление Басова и Крохина стимулировало начало работ по «лазерному термояду». Дальнейший размах эта тематика получила после того как американские физики выступили с идеей сверхплотного, примерно до 1 кг/см3, сжатия термоядерного топлива. Это можно себе представить следующим образом. Миниатюрная мишень из смеси изотопов водорода — трития и дейтерия — облучается мощным коротким, несколько миллиардных долей секунды, лазерным импульсом. Вес такой мишени 1-10 мг при размере 3-5 мм. Лазерное облучение взрывообразно испаряет поверхность мишени (для этого применяются специальные покрытия) и возникающая реактивная сила, направленная внутрь топлива, сжимает водород до огромных плотностей. При этом в центре мишени достигается температура около 100 миллионов градусов. Термоядерная реакция при этом длится примерно в сто раз меньше, чем сжатие. При таких процессах ожидается выделение энергии, раз в сто превышающее затраченную лазером.

Такой принцип имеет ряд достоинств. Реактор не так ограничен по мощности, как установки магнитного удержания. С другой стороны, мишени могут быть очень малыми и соответственно малым — относительно, разумеется,— будет выделение энергии в единичных импульсах, следующих один за другим через одну десятую, скажем, секунды. Не правда ли, это напоминает двигатель внутреннего сгорания? Тем самым можно будет широко варьировать мощность таких термоядерных установок, используя их и для большой энергетики, и, вероятно, для движущихся систем — сначала для крупных судов, затем для крупных самолетов, если такие удастся создать.

Проблема «удержания» термоядерной плазмы как бы сама собой снимается — мишень сгорает быстрее чем за миллиардную долю секунды, причем ее высокая плотность позволяет выполнить упомянутое мною условие соблюдения «плотности времени» порядка 1015 сек/см3.



БЕЛОКОНЬ. Действительно, раз время реакции очень мало, неизбежно должна быть очень велика плотность вещества, иначе будет слишком мало актов встреч между «слипающимися» в гелий ядрами водорода. Здесь стоит обратить внимание на любопытный психологический феномен. Ни один писатель-фантаст, по-моему, никогда не использовал идею сверхплотности, хотя она лежала вроде бы на поверхности — давно известны так называемые белые карлики и о наперстке вещества весом в центнер слышал каждый школьник. И, тем не менее, у фантастов было все — и пятое измерение, и гиперсветовые скорости, — но само вещество фантасты не трогали.

Для осуществления лазерного термояда, по замыслу Джона Накколлса и Рэя Киддера из Калифорнийского университета (США), придется сжать тяжелый водород примерно до плотности 200-1000 г/см3, то есть водород должен стать раз в двадцать — сто тяжелее железа. Такое «поджигание» мишеней можно производить не только лазером, но и пучками ионов сильноточного ускорителя, энергия «выстрела» которого приблизительно равна энергии молнии — от десяти до ста мегаджоулей. В случае лазера будет достаточно, по-видимому, одного - пяти мегаджоулей, поскольку удается более точно сфокусировать лучи на мишень.

Итак, имеется термоядерная мишень той или иной конструкции. Она как-то «подвешена» в вакууме, например, электростатически или просто падает (еще не успела ускориться). Ее поджигание — сложнейшая инженерная задача. Нужно ведь, чтобы сдавливание мишени было равномерным. В противном случае мишень будет не сжиматься, а улетать со скоростью сотни километров в секунду или растечется на отдельные несжатые куски. Поэтому, если она сферическая, то ее лучше освещать со всех сторон многими узкими лазерными лучами или пучками частиц, или двумя 60-лее широкими «рукавами». Если мишень представляет собою длинный цилиндр, то надо придумать так, чтобы он сжимался с торцов. Мишень можно «собирать» перед сжатием и поджиганием. Скажем, имеется несколько таблеток топлива в разных местах реакторной системы. Их подсвечивают снаружи лазером, поверхностный слой испаряется и реактивная сила толкает таблетки к месту встречи — «сборки». Там они одновременно сталкиваются и дальше сжимают сами себя по инерции. Есть идея использовать для такого разгона электромагнитные и даже электростатические ускорители. Трудность в том, что скорость таблетки должна достигать ста — двухсот километров в секунду, если не выше. Пока эти идеи находятся в стадии теоретических оценок, оставляющих широкий простор инженерной фантазии.

Более того, мишень надо суметь сжать так, чтобы в начальной фазе воздействия лазером или пучком ускорителя внутренние слои ее были еще сравнительно холодными. Холодное вещество, как известно, легче сжать. Пока сверхплотное сжатие не вполне удается. Иллюстрацией трудностей может служить девальвация прогнозов. Так, в Ливерморской лаборатории (США) планировали достичь плотности термоядерного топлива в 200 г/см3, то есть в 1000 раз выше нормальной, с помощью лазера в 1000 Дж к 1976 году. Теперь уже достижение 100 г/см3 относят на 1983 год с лазером в 20 тысяч джоулей. Плотность 200 г/см3 может потребовать лазера в 100 кДж, 1014 Вт. В последних опытах с 10 килоджоулевым лазером они достигли плотности 40 г/см3, уже в двести раз выше нормальной, правда, для массы всего в 20 нанограмм, то есть двадцать миллиардных долей грамма. При этом давление в центре мишени превысило миллиард атмосфер, а температура — около пяти миллионов градусов. Этого, конечно, мало и потому термоядерная реакция у них шла очень вяло. В другой серии опытов они достигли, но уже без существенного сжатия, настоящей термоядерной температуры 150 миллионов градусов.

ФЕОКТИСТОВ. Энергия лазерного воздействия, его мощность — это еще не все. Нужно правильно выбрать и длину волны лазера.

БЕЛОКОНЬ. Этой проблемой особенно интенсивно занимаются последние год-два во многих передовых лабораториях. Оказалось, например, что облучение инфракрасным светом с длиной волны 1 мкм при интенсивности 1014 Вт/см2 вызывает давление в плазме до 10 миллионов атмосфер, а 1015 Вт/см2 — около 20 миллионов атмосфер. Но доля поглощенного излучения падает при этом с 50-60 до 25-35 процентов. Переход на зеленый свет в 1/2 мкм при тех же интенсивностях дает 25 и 75 миллионов атмосфер при доле поглощения в 80-90 и 45-55 процентов соответственно. Но сделать мощный зеленый лазер потруднее, чем красный. Поэтому пока выходят из положения, используя преобразователи частоты; перед мишенью излучение в 1 мкм преобразуется так называемыми «нелинейными» кристаллами. В будущем ожидается создание «лазеров на свободных электронах», в которых электронный пучок в специально устроенных «магнитных ямах» будет терять энергию на усиление вначале слабого лазерного луча. Такие лазеры интересны тем, что не нуждаются в фокусирующей оптике — луч сразу получается нужной интенсивности и толщиной как раз в мишень!

ФЕОКТИСТОВ. В нынешнем десятилетии ожидается достижение «критического» режима термоядерной реакции, при котором полученная термоядерная энергия сравняется с затраченной световой энергией лазера. Американские коллеги возлагают здесь большие надежды на гигантский стеклянный лазер НОВА энергией до 300 кДж и мощностью свыше 1014 Вт. Ожидаемая его стоимость почти 250 миллионов долларов. Экономически он явно неэффективен и пока двери открыты для поисков и находок в области экономически выгодных лазерно-термоядерных систем. Если говорить о такой новинке, как лазер, основанный на усилении света за счет энергии пучка электронов, скорость которых почти равна скорости света, то его КПД обещает достигнуть или даже превысить десять процентов — в пятьдесят раз выше, чем у стекла, на котором основаны нынешние лазеры. Не исключен и успешный поиск новых стекол, а также использование так называемых газодинамических лазеров для термояда на промышленном уровне.

БЕЛОКОНЬ. Американцы предполагают, что энергию оптических лазеров удастся удесятерять каждые семь — девять лет, до 2000 года по крайней мере. Тогда к концу столетия можно будет посылать на мишень до десяти мегаджоулей и 1015 ватт. Это, во-первых, позволит начать строительство промышленных станций, работающих на мишенях со смесью дейтерия с тритием, а во-вторых, начать переход на «перспективное» топливо — почти чистый дейтерий или дейтерий с гелием-3. Последнее топливо хорошо тем, что «золой» является смесь обычного водорода с обычным гелием-4, да и несгоревшее топливо нерадиоактивно. В результате экологическая проблема решается параллельно с энергетической. Но эта задача не вполне решена пока даже на бумаге, здесь потребуется, это-то хорошо установлено, значительно более высокое сжатие, чем для дейтерия с тритием, и температура зажигания раза в три-четыре выше. Соответственно резко должны будут возрасти мощности лазеров, а «впихнуть» в мишень большую мощность — проблема пока почти безнадежная. При интенсивностях, которые здесь требуются — порядка 1017-18 Вт/см2 — облучение крайне неэффективно преобразуется в сжатие — на полезную работу уходят слишком малые доли посланной энергии.

ФЕОКТИСТОВ. Прежде чем говорить всерьез о «перспективном» топливе, надо суметь поджечь «обычное» — дейтерий с тритием. Здесь, как мы видели, проблем хватает. И названные выше проблемы — это только те, что видны «снизу». А по мере подъема по лестнице успехов появятся новые проблемы, для решения которых потребуется уйма изобретательности. Скажем, регистрация параметров реакции — фантастически высоких, достигаемых в ничтожное время в ничтожных объемах... Изготовление мишеней. По американским оценкам, их шероховатость не должна превышать что-нибудь около 500 ангстрем.

Если же говорить о далеких перспективах сверхплотного сжатия, то оно вполне может быть применено для синтеза некоторых элементов. Дело в том, что сопутствующие термоядерному микровзрыву колоссальные нейтронные потоки могут быть использованы для получения тяжелых и сверхтяжелых элементов, пусть в очень малых дозах.

БЕЛОКОНЬ. Академик Р. В. Хохлов предполагал, что термоядерным синтезом можно будет получать вообще все элементы таблицы Менделеева — по потребности, особенно когда энергетически выгодный термояд даст изобилие энергии. Он задумал начать работы в этом направлении в надежде на промышленный выход в далекой перспективе. Это было бы промышленным воспроизведением «варки» вещества в звездах.

Правда, тогда потребовалось бы достичь или даже превзойти плотность в десять килограмм в кубическом сантиметре! Если для этого использовать лазер или ионный ускоритель, мы приходим к малореально высоким значениям требующейся мощности, которую еще неизвестно удастся ли хорошо преобразовать в сжатие небольшой мишени. Поэтому в группе Р.В. Хохлова мы рассматривали путь, о котором я упомянул выше — «сборка» мишеней. В отличие от схемы американских физиков — сжатие компактной мишени (сплошной или толстостенной полой) размером не более 1 см, фрагменты нашей мишени должны быть ускорены на базе около ста метров до скорости 1 000 км/сек. После этого они одновременно «схлопываются» — нечто вроде очень высокой пачки маленьких бритв-лезвий — и сжимают сами себя за счет запасенной кинетической энергии. Оригинальность такого решения состоит в том, что поскольку разгон фрагментов идет постепенно, то, значит, потребуется не увеличение, а уменьшение интенсивности внешнего воздействия по сравнению с вариантом мгновенного воздействия на компактную мишень. Правда, придется еще многое додумать, прежде чем удастся реализовать такую схему...

Во всяком случае, откроется не только путь синтеза элементов, но и получения совершенно новых физических эффектов. Например, гравитационного излучения. Пока оно в природе не обнаружено. Все надежды возлагаются только на взрыв сравнительно близкой сверхновой звезды. При этом сигнал в 1010 ватта будет считаться большой удачей. «Сверхтермоядерное» сжатие специальных мишеней обещает гравитационное излучение, точнее, его вспышку, мощностью до одного ватта! Тогда можно будет подумать всерьез и о «гравитационном» лазере...

ФЕОКТИСТОВ. Это — проблемы следующего века, хотя длиннобазовый разгон термоядерных мишеней — перспективная схема и для ближайших задач.

Что касается первого промышленного термоядерного реактора, то появление его ожидается около 2000 года. Вряд ли это будет «чистый» реактор, то есть работающий только на тяжелых изотопах водорода. «Чистый» реактор представляется довольно сложным, требующим очень высокого сжатия мишеней. Скорее всего, вначале появится гибридный реактор. Выделяющиеся при реакции быстрые нейтроны не будут идти просто на производство тепла, как в большинстве схем «чистых» реакторов. Эти ценные нейтроны будут направлены на малодефицитные делящиеся элементы (уран, торий), превращая их в ценное топливо для атомной энергетики, которая будет, таким образом, успешно «сосуществовать» с термоядерной. Тем самым мы увеличиваем степень выгорания природного урана в пять раз, соответственно увеличив его экономически выгодные запасы. Будет решена хозяйственная задача огромной значимости. Но и это, увы, обеспечит энергетику топливом всего лишь до середины следующего столетия, примерно.

Так что сама жизнь потребует довольно быстрого перехода к «чистым» реакторам. Здесь видится особенно большой простор для инженерной фантазии, например, как оптимально использовать тепло реакции. Простейшая схема — греть газ или водяной пар, срабатывая затем их энергию в турбинах. Иными словами, термоядерный реактор просто заменяет обычный котел тепловой электростанции. Но термодинамически это чрезвычайно невыгодно — снижать температуру с сотен миллионов градусов до пятисот — ну тысячи — без совершения полезной работы. Нужно придумать что-то более эффективное. Есть интересные предложения о космических термоядерных ракетных двигателях с использованием сверхплотного сжатия различных топлив...

В «чистом» реакторе можно будет в принципе сжигать и вредные отходы реакторов деления, добавляя их к изотопам водорода. Тем самым решится не только экологическая задача будущего, но можно будет исправить негативные последствия атомной энергетики, с которыми мы сейчас и в ближайшем будущем должны мириться. Вот тогда, похоже, энергетические проблемы будут решены окончательно.

БЕЛОКОНЬ. Или нам это так кажется сегодня...