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 Ю16 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 гро мадный 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 н 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.
Первые шаги
Проведенный физиками первоначальный анализ условий осуществления УТС, с которым мы познакомились в общих чертах, привел к довольно оптимистичному выводу. Вот краткое его изложение.
Нужно использовать в качестве топлива смесь дейтерия с тритием и с помощью вакуумных насосов создать в камере термоядерного реактора вакуум, плотность частиц в котором была бы равна 10^14-10^15 единиц на кубический сантиметр. Окружить этот объем магнитным полем, которое удерживало бы в нем плазму.
Затем пропустить через плазму электрический ток, который и нагреет ее до 40 миллионов градусов.
При этой температуре ядра дейтерия и трития станут соударяться и сливаться, образуя атомы гелия и выделяя термоядерную энергию.
Кажется, все достаточно просто. В самом деле, ведь и магнитное поле не нужно создавать специально. Оно возникнет само по себе, когда через плазму потечет ток, точно так же, как оно возникает вокруг любого проводника с током. Это же поле, взаимодействуя с плазмой, и будет удерживать ее в зоне горения и не допускать к стенкам камеры.
На самом деле все оказалось гораздо труднее!
Будем справедливы, эта кажущаяся простота была настолько заманчивой, что могла обмануть не только людей, впервые знакомящихся с этой проблемой, она смутила и физиков-теоретиков, и инженеров, рассчитывавших условия проведения процесса, и физиков-экспериментаторов, начавших срочно сооружать установки для осуществления термоядерной реакции в лабораторных условиях.
Вот как выглядели эти установки. Камеру, в которой должна идти термоядерная реакция, выполнили из изоляционного материала в виде полого цилиндра с электродами в торцах. На них и подавалось напряжение.
Для получения сильного электрического тока применили большую батарею конденсаторов. При быстром ее разряде можно получать ток очень большой силы.
Скажем, если накопить всего 0,1 киловатт-часа и разрядить в несколько миллионных долей секунды, то потечет ток такой силы, что разовьет мощность в разряде, равную примерно 100 миллионам киловатт.
Итак, есть камера-цилиндр и источник электроэнергии. Можно начинать эксперимент. Создается вакуум, и цилиндр заполняется азотом. Почему этим элементом?
Это вызвано соображением осторожности. Хотя теория и предсказывает, что при заполнении камеры дейтерием ничего страшного не должно произойти, все же, поскольку речь идет о термоядерной реакции, лучше сначала сделать пробу на азоте.
Электрическая энергия накоплена. Разряд! Вспышка света! Взрыв! Нет, цилиндр не разорвался, только разряд был эффектным, подобным взрыву. Все произошло так, как и предполагали теоретики. При протекании тока образовалась плазма. Магнитное поле сжало ее в плазменный сверкающий шнур.
Опыт повторяется. Затем проводится третий, четвертый... и каждый раз меняются условия проведения эксперимента. Наконец можно ввести в камеру и термоядерное сырье - дейтерий. Реакция может пойти и при взаимодействии одних его ядер. Вводить радиоактивный элемент тритий пока нежелательно: обеспечение безопасности слишком усложнит эксперимент.
Снова разряд, вспышка, оглушительный выстрел, опять плазменный шнур. И что же? Была ли термоядерная реакция? Как определить это простейшим образом?
Высвободилась ли в результате реакции энергия?
Мы еще не говорили, в каком виде она в такой реакции выделяется; очевидно, что в форме кинетической энергии новых элементов, образующихся при синтезе. Например, в случае реакции дейтерия с тритием - это должен быть атом гелия с энергией 3,5 Мэв (1,7 * 10^-19 кВт-ч). Об этой энергии, которую несут продукты синтеза, шла речь выше, когда мы говорили о мощности, выделяемой в объеме плазмы. За счет ее и должна поддерживаться температура. Однако в первых лабораторных опытах она могла быть (в действительности так и было) очень малой, настолько малой, что ее невозможно было обнаружить на фоне той энергии, которая вводилась в плазму электрическим разрядом. Но, кроме новых ядер, при синтезе дейтерия и трития освобождается еще и нейтрон с гораздо большей энергией, равной 14 Мэв (6,8 * 10^-19 кВт ч).
