Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

Главное же преимущество газообразного горючего — прозрачность. Чем прозрачнее тело, чем меньше в нем «черноты», тем слабее оно излучает энергию при нагревании (вы помните, что больше всего излучает «абсолютно черное тело»). Словом, в газе при ничтожной плотности потери на излучение неизмеримо меньше, чем в жидкости или в твердом теле. Поэтому для звездного нагрева газа энергию можно подводить не столь стремительно, что очень важно для осуществления спокойного, не взрывного процесса.

До каких же все-таки температур надо нагреть газообразное термоядерное горючее, чтобы вызвать в нем самоподдерживающийся процесс ядерного синтеза?

Зная вероятности ядерных реакций при разных скоростях сталкивающихся частиц (что соответствует разным температурам), на этот вопрос ответить нетрудно.

Расчет показывает, что даже при комнатной температуре слияния ядер случаются, хоть и невообразимо редко. В литре холодного дейтерия при обычном атмосферном давлении одна пара дейтонов соединяется раз за 500 лет. С повышением же температуры число реакций увеличивается по определенному закону — сначала очень медленно, а затем неимоверно быстро.

Физики-теоретики составили любопытный график этой зависимости. Он изображен на стр. 153 и относится к газообразному термоядерному горючему, находящемуся при комнатной температуре под давлением в 0,001 атмосферы. Нижняя кривая отражает поведение дейтерия, а верхняя — смеси дейтерия с тритием. Внизу по горизонтали отложены температуры. Слева по вертикали— мощность термоядерной энергии, которая создается в кубическом сантиметре раскаленного горючего. А справа по вертикали — отношение вырабатываемой термоядерной энергии к энергии излучаемой. Обратите внимание: все значения физических величин даны степенями числа 10. Это как бы сжимает график, делает его особенно наглядным.

О чем говорят кривые?

В смеси дейтерия с тритием количество вырабатываемой и излучаемой энергии делаются одинаковыми при 40—50 миллионах градусов. Это и есть температура вспышки самоподдерживающегося термоядерного процесса. В дейтерии же, как показывает график, температура вспышки гораздо выше — составляет приблизительно 300—400 миллионов градусов. И каждый кубический сантиметр горючего при этом будет вырабатывать и излучать сотни ватт энергии.

Вот такими должны быть заветные температуры для создания искусственного солнца. И это — минимальный нагрев, при котором изотопы водорода лишь «загорятся». Наиболее выгодные, оптимальные температуры самоподдерживающегося термоядерного синтеза выше. Для дейтерия это примерно 500 миллионов градусов, для смеси дейтерия с тритием —150 миллионов градусов, причем вычисления степени нагрева изотопов водорода проведены здесь в предположении, что горючее -надежно изолировано от окружающей среды, что частицы его прочно удерживаются в постоянном объеме. В противном случае температуры возбуждения незатухающих термоядерных реакций оказываются гораздо более высокими.

Надо отметить еще, что термоядерное горючее (как и уран и уголь) может воспламениться лишь в достаточном объеме. Иначе цепной реакции просто негде будет развернуться и она не сможет стать самоподдерживающейся. Поэтому реактор на смеси дейтерия с тритием не может быть размером меньше метра в поперечнике. А реактор на дейтерии должен иметь еще большие размеры.

Наконец, очень существенно требование чистоты горючего. Добавки тяжелых атомов в нем недопустимы даже в ничтожных количествах. Дело в том, что самая крохотная порция лишних атомов, особенно — тяжелых, действует здесь, как таблетка аспирина в организме гриппозного больного: снижает температуру, ослабляет термоядерную лихорадку. Почему?

Ведь до того, как станут возможны ядерные реакции, вещество должно ионизироваться — превратиться в электронно-ядерный газ, в так называемую плазму. Другими словами, атомы должны быть наголо «обриты» — лишены электронов. Причем тяжелые «негорючие» ядра гораздо гуще обросли электронной «щетиной». «Обрить» их труднее, чем легкие — «горючие». Понятно, что на такую «парикмахерскую» работу уходит значительная часть энергии нагрева.

Кроме излишних затрат «на бритье», эта энергия расходуется еще на расталкивание ядер примеси, принимающих, конечно, участие в общем беспорядочном тепловом движении частиц. Наконец, очень большая доля энергии уносится из плазмы электромагнитным излучением, которое возникает при торможении электронов тяжелыми атомными ядрами. Тяжелые ядра обладают сравнительно большим положительным зарядом и поэтому тормозят пролетающие мимо электроны особенно резко. А при сильном замедлении движения электроны обязательно излучают, «стреляют» рентгеновскими и гамма-фотонами, которые тут же уносятся прочь из плазмы.

Чем многочисленнее лишние ядра, тем большую часть энергии нагрева они отсасывают па себя. Например, присутствие всего лишь одного атома урана на тысячу водородных снижает температуру в два с половиной раза.

Итак, что же нам нужно для создания искусственного солнца?

Необходимо научиться достаточно быстро нагревать тщательно очищенные газообразные изотопы водорода в значительном объеме до десятков и сотен миллионов градусов. Этот нагрев надо вести так, чтобы гарантировать строгую изоляцию от окружающей среды и от стенок сосуда. Такова должна быть «звездная спичка».

Сделать ее — задача феноменальной трудности.

Но никто не сказал, что эта задача неразрешима.

Чтобы увереннее идти дальше, вспомним в двух словах, как возгоралось Солнце.

Мы давно знаем имя его «поджигателя». Это было тяготение. Термоядерные процессы в глубинах светила возбуждались из-за тепла, рожденного гравитационным сжатием вещества.

То же тяготение связывало раскаленную массу Солнца. Перебарывая газовое и лучистое давления, оно не давало солнечным частичкам разлетаться в стороны, соединяло их в единый сгусток.

Таким образом, тяготение играет решающую роль в жизни естественного Солнца. И объясняется это, повторяем, огромной массой светила.

Замыслив создать маленькое искусственное солнце, мы не можем изолировать его вещество силой тяготения, ибо в небольших массах она еле заметна. К тому же нас совсем не устраивает черепашья скорость возникновения термоядерных процессов на Солнце.

Чем же заменить тяготение? Как поджечь вещество миллионоградусным жаром и тут же изолировать горючее, не используя никаких твердых стенок?

Мы можем попытаться применить для этого не тяготение, а другие дальнодействующие силы — электрические и магнитные.

На первый взгляд такая попытка не слишком обнадеживает. Газ плохо проводит электричество, его не притянешь магнитом, как кусок железа.

Но не забывайте, что речь идет не об обычном газе, состоящем из электрически нейтральных частичек. Ведь при сверхвысокой температуре газовые атомы из-за сильных столкновений теряют все свои электроны. Получается плазма, скопище заряженных частиц — электронов и «наголо обритых» атомных ядер. А на заряженные легкие тела электрические и магнитные поля действуют очень сильно. Электрическое поле ускоряет или тормозит полет частиц; магнитное же искривляет их путь, заставляет их двигаться не по прямым линиям, а по кругам или спиралям.

Применить сочетание магнитного и электрического полей для изоляции и нагрева плазмы предложили в 1950 году советские физики: академик И. Е. Тамм и молодой ученый (затем тоже академик) А. Д. Сахаров.

Вот суть одного из вариантов исследований, по которому затем были развернуты эксперименты.

Вообразим, что к трубке с газообразным дейтерием подведено высокое напряжение. Оно создает сильное электрическое поле, под действием которого возникает лавина электрически заряженных частиц: Нейтральные атомы разбиваются на электрически заряженные частички — положительные дейтоны и отрицательные электроны. Подхваченные полем, они устремляются в разные стороны. Происходит пробой, начинается, газовый разряд. Стремясь туда, куда их тянет электрическое поле, бешено летящие частицы сталкиваются друг с другом. Беспорядок в их движении нарастает, температура поднимается. Газ мгновенно превращается в раскаленную плазму.

Плазма — отличный проводник тока. Он течет в ней лучше, чем в металле, и все жарче раскаляет ее. Но еще со времен Фарадея известно, что любой электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого располагаются вокруг тока концентрическими кругами. Как же влияет это собственное магнитное поле на частицы плазмы? Оно заставляет их сходить с прямого пути и закручиваться вокруг силовых линий. Причем вот что важно: куда бы ни двигался электрон или голое ядро, они обязательно отклоняются к центру тока. Кувыркаясь подобно гайкам на ободах катящихся велосипедных колес, частицы плазмы стремительно несутся навстречу друг другу. И возле оси тока из-за ужасающей толчеи и беспорядка при столкновении частиц должно наблюдаться то, ради чего затеяно все дело, — огромное повышение температуры.