НА ПУТИ К ЛАЗЕРНОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ

С развитием общества, расширением производства, ростом уровня жизни быстро увеличивается количество потребляемой энергии. Сегодня общество удовлетворяет свою потребность в энергии, главным образом, сжигая уголь, торф, газ, нефть.

Однако природные запасы газа и нефти быстро истощаются; подсчитано, что человечеству хватит их всего на 50 лет. Запасы угля значительно богаче, но через несколько сотен лет истощатся и они. К тому же сжигать газ или нефть попросту нерационально-ведь они являются ценнейшим сырьем для получения целого ряда химических продуктов, а также для производства белка. Довольно широкая сеть построенных за последние пятьдесят лет гидроэлектростанций проблемы не решает-гидроэлектростанции дают менее 10% всей потребляемой сегодня энергии.
Перспективы решения энергетической проблемы связывают с путями развития ядерной энергетики. Таких путей два. Один усматривается на использовании энергии, освобождающейся при делении тяжелых ядер (главным образом, ядер урана),-это путь ядерной энергетики. Человечество использует этот путь вот уже тридцать с лишним лет-с тех пор, как была пущена в эксплуатацию в 1954 г. первая в мире советская атомная электростанция в Обнинске. В настоящее время в мире работают более трехсот атомных электостанций, они обеспечивают около 15 % всей потребляемой энергии. Второй путь предполагает использование энергии, освобождающейся при соединении друг с другом легких атомных ядер-водорода, дейтерия (тяжелого водорода), трития (сверхтяжелого водорода). Иными словами, это есть путь использования энергии термоядерного синтеза - путь термоядерной энергетики. Именно на этом пути человечество может раз и навсегда решить энергетическую проблему, обеспечить, по сути дела, вечное энергетическое изобилие. Важность освоения данного пути подчеркивал еще в 1959 г. выдающийся срветский ученый- атомщик академик И. В. Курчатов. Он писал:

«В результате осуществления управления термоядерной реакцией общество получит в свое распоряжение замечательный и неограниченный источник энергии. Овладение термоядерной энергетикой позволит в будущем экономически более рационально использовать такие ценнейшие виды сырья, как уголь, нефть и природный газ. С применением термоядерной энергетики исчезнет необходимость транспортировки топлива и передачи электроэнергии на большие расстояния».
Пока еще проблема управляемого термоядерного синтеза не решена. Термоядерная энергетика все еще остается делом будущего (будем надеяться, недалекого будущего). И, возможно, существенную роль в ее становлении сыграют проводящиеся в настоящее время исследования с использованием мощных лазеров.
Прежде чем начать рассказ об этих исследованиях, сделаем небольшой экскурс в область ядерной физики. При этом воспользуемся знаменитой формулой Эйнштейна Е = тс2 (Е-энергия, т- масса, с-скорость света). Атомное ядро состоит, как известно, из нейтронов и протонов. Обозначим через тп и тр массу нейтрона и протона соответственно (эти массы весьма близки; различие между ними порядка 0,1 %). Пусть в атомном ядре Np протонов и Nn нейтронов. Казалось бы, энергия, содержащаяся в таком ядре в соответствии с формулой Эйнштейна, есть Nртрс2 + Nnmnc2. Но это не так: в действительности энергия ядра меньше. Дело в том, что масса ядра М меньше суммы масс нейтронов и протонов и, значит, Me2 lt; (N тр с2 + + Nnmnc2). Разность (Nртрс2 + Nnmnc2) — Me2 называют энергией связи ядра. Это та энергия, которую надо затратить, чтобы «растащить» ядро на отдельные нейтроны и протоны. С другой стороны, это есть та энергия, которая освобождается, когда из отдельных нейтронов и протонов образуется ядро. Чем больше энергия связи, приходящаяся на одну частицу ядра, тем прочнее ядро. Легко сообразить, что любая ядер- ная реакция, в результате которой образуются более прочные ядра, чем те, которые вступают в реакцию, должна сопровождаться освобождением энергии. Это может происходить в двух случаях: либо при делении ядер элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, либо при соединении ядер элементов, нахо-
157

дящихся в самом начале этой таблицы. И в том, и в другом случае продукты реакции имеют более прочные ядра, чем исходные реагенты. Заметим, что освобождающаяся в реакциях энергия-это кинетическая энергия ядер, образующихся в результате реакций.
После этих замечаний обратимся к термоядерному синтезу и рассмотрим следующую реакцию: D + Т -> ->4Не+п. Здесь D-ядро дейтерия (оно состоит из протона и нейтрона), Т-ядро трития (состоит из протона и двух нейтронов), 4Не-ядро гелия, или а-частица (состоит из двух протонов и двух нейтронов), п-нейтрон. Ядро гелия - необычайно прочное ядро; его энергия связи значительно выше, чем энергия связи ядер дейтерия или трития. Поэтому в рассматриваемой реакции синтеза освобождается большое количество энергии: 17,6 МэВ на каждую пару взаимодействующих ядер дейтерия и трития. При этом 14,1 МэВ уносит нейтрон (это есть его кинетическая энергия), а 3,5 МэВ ядро гелия. Помноженное на огромное число взаимодействующих водородных ядер, указанное количество энергии и дает ту фантастическую энергию, которую до сих пор удавалось освободить лишь бесконтрольно - при взрывах проходящих испытания водородных бомб.
Чтобы реакция синтеза легких ядер происходила, водородная смесь должна иметь очень высокую температуру - около 108 К (до ста миллионов градусов!). Это нужно для того, чтобы атомные ядра могли преодолеть кулоновское расталкивание и сблизиться друг с другом до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы. Именно поэтому данные реакции называют термоядерными. В водородной бомбе такие огромные температуры создаются в результате взрыва атомной (урановой) бомбы, играющей в данном случае роль взрывателя. При этом происходят неуправляемые процессы. Несравнимо труднее реализовать управляемый термоядерный синтез.
Исследования по управляемому термоядерному синтезу проводятся в СССР и за рубежом вот уже более тридцати лет. Они ведутся по двум направлениям. Исторически первое направление связано с относительно «медленным» нагревом плазмы, характеризующейся невысокой концентрацией частиц (1014-1015 см-3), которую требуется удерживать при
158

высокой температуре с помощью магнитного поля сравнительно долго: в течение 0,1-1 с. В СССР эти исследования проводятся в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова. Ощ| привели к созданию установок типа «Токамак», в которых за счет протекающих в плазме электрических токов удалось получить температуры, измеряемые десятками миллионов градусов. Во главе указанных исследований стояли академики М. А. Леонтович и Л. А. Арцимович; в настоящее время эти работы возглавляют академики Е. П. Велихов и Б. Б. Кадомцев. Ожидается, что на базе установок «Токамак» удастся создать первые термоядерные электростанции примерно через 10-15 лет.
Параллельно ведутся исследования по осуществлению управляемого термоядерного синтеза за счет нагрева термоядерной мишени мощными лазерными импульсами. Идея лазерного термоядерного синтеза была предложена около двадцати лет назад академиком Н. Г. Басовым. В настоящее время исследования в этом направлении интенсивно ведутся в Физическом институте АН СССР и Институте общей физики АН СССР; их возглавляют академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. В отличие от систем с магнитным удержанием относительно неплотной высокотемпературной плазмы, здесь предполагается сжать плазму до таких плотностей, чтобы реакция синтеза успевала произойти за очень короткое время-время существования свободной, ничем не удерживаемой плазмы.

Фактически мы имеем здесь дело с термоядерным микровзрывом.
Рассмотрим проблему лазерного термоядерного синтеза подробнее. Прежде всего надо приготовить термоядерную мишень. Она может представлять собой полый стеклянный или металлический шар диаметром всего 0,1-1 мм (толщина стенки шара измеряется микрометрами), наполненный газовой смесью дейтерия и трития под давлением в несколько атмосфер. На эту мишень фокусируют сразу несколько лазерных импульсов длительностью 10 ~9 с и суммарной энергией 104-105 Дж. Лазерные импульсы обстреливают шар- мишень одновременно с разных сторон; они создают на поверхности мишени световую интенсивность 1014-10 Вт/см2. Под действием столь высокой интенсивности света происходит бурное испарение обо-
160

На рисунке показана принципиальная схема лазерной установки для термоядерного синтеза: 1 — лазер, 2 — светоделитель, 3 — усилители, 4 — термоядерная мишень. Исходный лазерный импульс расщепляется в светоделителе на несколько импульсов. Проходя через усилители света, все эти импульсы усиливаются, а затем одновременно и с разных сторон "обрушиваются" на термоядерную мишень

л очки мишени. Возникает так называемая корона, стремительно разлетающаяся во все стороны - навстречу лазерным импульсам. При этом, согласно закону сохранения количества движения, внутренние слои мишени будут стремительно двигаться к ее центру, сжимаясь и нагреваясь до температуры, необходимой для термоядерного синтеза.
Впервые эксперимент по лазерному термоядерному синтезу был выполнен в 1968 г. на лазерной установке «Кальмар» в Физическом институте АН СССР. Лазер на стекле с неодимом генерировал гигантские импульсы длительностью 10“9 с. Каждый импульс подвергался многоканальному усилению: расщеплялся светоделителями и направлялся по девяти параллельным каналам, в каждом из которых проходил последовательно через несколько усилителей. Девять усиленных импульсов фокусировались на термоядерную мишень; суммарная энергия импульсов составляла примерно 100 Дж. При диаметре мишени 0,1 мм это обеспечивало световую интенсивность на поверхности
161

На верхнем рисунке показан начальный момент — лазерные импульсы с разных сторон "обрушиваются" на поверхность термоядерной мишени. На нижнем — более поздний момент, когда частицы бурно испаряющейся оболочки мишени разлетаются от нее в разные стороны, а внутренняя часть мишени быстро сжимается (и, как следствие, нагревается)

мишени, равную 1014 Вт/см2. Такая интенсивность оказалась вполне достаточной для того, чтобы происходила реакция синтеза. Был зарегистрирован поток нейтронов, возникающих в этой реакции: 106 нейтронов на один микровзрыв.
В настоящее время в Физическом институте АН СССР ведутся исследования на более мощных лазерных установках «Дельфин». Предполагается довести суммарную энергию лазерного импульса до 10000 Дж и получить световую интенсивность на поверхности мишени, равную 1015-1016 Вт/см2.
Можно сказать, что физические эксперименты по осуществлению лазерного термоядерного синтеза успешно прошли начальную стадию. Представляются достаточно перспективными лазерные установки, создаваемые в СССР и США. Если в СССР в таких установках применяются лазеры на стекле с неодимом, то в США отдается предпочтение С02-лазерам. Ученые полагают, что проблема лазерного термоядерного синтеза будет решена в течение 10 лет. Для перехода от физического эксперимента к практическому использованию лазерного термоядерного синтеза необходимо добиться, чтобы полезная энергия, получаемая от лазерного термоядерного реактора, превышала энергетические затраты, связанные с работой реактора. Для этого надо прежде всего существенно повысить КПД мощных лазеров-довести его до 10-20%.

Каким будет лазерный термоядерный реактор? Существуют различные проекты таких реакторов. В одних рассматривается «чистый» реактор, где используется только энергия, высвобождающаяся при термоядерном синтезе. В других проектах разрабатывается гибридный реактор. В нем используются как реакции синтеза водородных ядер, так и реакции деления ядер урана под действием нейтронов, которые рождаются в реакциях синтеза. Существенно, что в этих реакциях рождаются быстрые нейтроны (напомним, что в рассматривавшейся ранее реакции синтеза рождались нейтроны с кинетической энергией 14,1 МэВ); такие нейтроны вызывают деление ядер естественного урана,

Так можно представить себе схему одного из проектов гибридного реактора, разработанных советскими учеными: 1 — мишень, 2 — камера, 3 — канал для ввода камеры с мишенью внутрь реактора, 4 — первая сфера, 5 — вторая сфера, 6 — топливо, 7 — турбина, 8 — теплообменник. Красными стрелками показаны лазерные импульсы, которые по специальным каналам устремляются в самую сердцевину реактора и достигают мишени. Используемое в реакторе топливо представляет собой естественный уран; его прокачивают через пространство между первой и второй сферами реактора. Принцип работы рассматриваемого реактора объяснен в тексте книги. Израсходовав 50 т естественного урана, можно обеспечить работу данного реактора в течение примерно 25 лет. Предполагается при этом, что лазер имеет КПД 1 % и мощность 10[6] Вт. Мощность, выделяющаяся за счет реакций деления ядер урана, как ожидается, будет равна 2,5* 109 Вт. Если принять КПД турбины равным 40%, то полезная мощность составит 109 Вт. Часть этой мощности (108 Вт) будет затрачена на работу лазерной установки, а остальная мощность (9-108 Вт) может использоваться потребителем

т.е. урана-238. Таким образом, обогащение урана изотопом урана-235 в данном случае не требуется. По этой причине, а также по ряду других причин гибридный вариант лазерного термоядерного реактора представляется предпочтительным.
Один из проектов гибридного реактора разработан группой советских ученых, возглавляемой чл.-корр. АН СССР JI. П. Феоктистовым. Термоядерную мишень помещают в прочную сферическую камеру диаметром 60 см; камера может быстро вводиться в реактор и быстро выводиться из него. В рабочем положении камера с мишенью находится в центре так называемой первой сферы, имеющей диаметр 2 м. Есть и «вторая сфера»; в ее оболочке находится литий-для воспроизводства трития. В природе, как известно, трития нет, так что его надо производить; для этого используют реакцию n + 6Li -gt; Т + 4Не. Через пространство между первой и второй сферами прокачивается вещество, играющее в данном реакторе роль топлива. Им является естественный уран, находящийся в измельченном твердом, жидком или газообразном виде. Реактор должен работать так. Десять раз в секунду в центре реактора появляется очередная камера с термоядерной мишенью, которая тотчас обстреливается лазерными импульсами; десять раз в секунду происходит микровзрыв. Выделяющиеся при этих взрывах быстрые нейтроны вызывают деление ядер урана; часть нейтронов, проникая в оболочку второй сферы, участвует в воспроизводстве трития. Энергия, освобождающаяся при делении ядер урана, поступает в теплообменник; в нем образуется пар, приводящий в действие турбину.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме НА ПУТИ К ЛАЗЕРНОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ:

- Биофизика - Популярная физика -