Термояд

Управляемый термоядерный синтез - одна из ключевых проблем современной физики. А поскольку она тесным образом связана с энергетикой, то естественно предположить, что термоядерный синтез выдвигается на одно из первых мест среди нерешенных проблем НТР.

Ученые занимаются изучением условий управляемого термоядерного синтеза более 30 лет. Преодолено немало трудностей, многое стало понятно. И все-таки даже сегодня, считает академик В. Л. Гинзбург," еще рано говорить о превращении задачи из физической в инженерную.

Но чем же привлекает энергетиков эта сложная проблема?

Еще в 1939 году немецкий физик X. Бете предположил, что в недрах нашего светила при температуре свыше 10 миллионов градусов ядра легкого водорода - протоны, из которых на 90 процентов состоит Солнце, сливаются, превращаются в ядра гелия и выделяют при этом массу энергии.

Гипотеза пришлась по вкусу физикам-теоретикам и получила широкое распространение. Вспомните знаменитое уравнение Эйнштейна Е=МС², связывающее энергию - Е с массой - М и скоростью света - С. Если подставить цифры, то получится весьма впечатляющее решение. Грамм солнечного вещества, обращенный в энергию, дает ее столько, сколько мы получаем на Земле, сжигая тысячи тонн (!) первоклассного бензина. Из одного килограмма изотопов водорода выделяется в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сжигании одного килограмма угля. И это при нынешнем-то энергетическом кризисе и растущих ценах на нефть и уголь... Естественно, мысль: "А нельзя ли зажечь солнце на Земле?" - просто не могла не возникнуть у ученых. Дело оставалось за небольшим - получить солнечное вещество и научиться превращать его в энергию.

Если открыть последний энциклопедический словарь, то можно прочесть: "Солнце... раскаленный плазменный шар... Химический состав, определенный из анализа солнечного спектра: водород - около 90%, гелий - 10%, остальные элементы - менее 0,1% (по числу атомов)". А что такое "плазма"?

Если, услыхав слово "плазма", вы подумаете о чем- то исключительном, то непременно ошибетесь. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной. Тут и звезды, и галактические туманности, межзвездная среда и даже внешняя оболочка нашей собственной земной атмосферы. Не говоря уж о том, что Земля просто купается в плазме в виде солнечного ветра. Правда, искать природную плазму на поверхности нашей планеты - занятие безнадежное. Ее не существует. Но исследователи довольно давно научились получать ее искусственно в лабораториях, свое же название она получила совсем недавно.

Все в тех же 20-х годах нашего века два американских физика Ленгмюр и Тонкс, изучая газовый разряд, назвали его греческим словом "plasma", что означало - ионизованный электрически нейтральный газ, содержащий равное количество положительных и отрицательных зарядов. Этот газ-плазма оказался настолько отличающимся от всех известных физикам состояний вещества, что стал самостоятельным объектом исследования.

Давайте попробуем каким-нибудь способом постепенно разогревать кусок обычного, вполне земного вещества, хоть железку. Сначала она раскалится, засветится. Затем связи в ней ослабнут, и она расплавится. Потом жидкость испарится и перейдет в газ. При дальнейшем нагреве молекулы газа не выдержат и разорвутся на атомы. Еще дальше - газ станет атомарным. А там начнут сдаваться и атомы. Электроны будут отрываться от ядер, и газ начнет переходить в плазму.

Примерно к температуре десять миллионов градусов плазма окажется полностью ионизованной. То есть вещество будет состоять из "голых" ободранных ядер и свободных электронов, которые мечутся в разные стороны, стремясь во что бы то ни стало сбросить возбуждение, отдать сообщенную энергию и обрести, образно говоря, покой.

При ста миллионах градусов частицы плазмы обретают такую скорость, что при встречах ядра могут начать разрушаться. Здесь мы подошли к границе ядерных превращений.

При миллиарде градусов вещество будет состоять уже только из протонов и электронов. Ядра распадутся. А при температурах более десяти триллионов (10 13) градусов элементарные частицы получат возможность превращаться одна в другую.

Правда, представить себе все эти градусы довольно трудно. Нужно быть физиком-теоретиком.

Чем ближе знакомились физики с плазмой, тем больше убеждались в ее вздорном характере. Посудите сами: мы говорим, что плазма нейтральна. Но шустрые электроны куда более подвижны, чем массивные ионы, и потому они первыми норовят удрать из дружного коллектива. Образуются нестабильные электрические поля. Под их влиянием частицы меняют свои направления, путают расчеты, делают поведение сгустка плазмы труднопредсказуемым. Плазма изо всех сил стремится расшириться, коснуться стенок камеры, отдать энергию и... погибнуть.

Просто какая-то страсть к самоубийству. И чем выше температура плазмы, тем она норовистее. А при миллионах градусов, необходимых термоядерщикам, она становится просто бешеной.

Когда-то считали, что в недрах нашего светила горят запасы серы, каменного угля и прочих горючих ископаемых. Однако проверили поточнее, прикинули, оказалось, что, будь Солнце даже просто из лучшего донецкого антрацита, его хватило бы лишь на несколько тысячелетий. Этого было явно мало. Следовало поискать другой, более долговечный источник. И он нашелся...

Если представить себе зарождающуюся звезду облаком холодной плазмы, сжимающейся под действием сил притяжения, то постепенно ее температура станет подниматься. Сначала немного нагреются недра, а там, глядишь, и весь шар покраснеет, засветится и засверкает. Превратится сжимающийся плазменный шар в пылающую звезду...

Впрочем, не надо, как говорится, эмоций! Посчитаем, прикинем... Если бы Солнце под действием собственной силы тяжести сжималось со скоростью 30 метров в год, оно бы "просветило" лет этак миллионов тридцать. Опять мало! По новым данным науки, Солнечная система существует, по крайней мере, четыре с половиной миллиарда лет. Миллиарда! Представляете? .

Долго, очень долго источник солнечной энергии оставался для ученых загадкой. А потом в лабораториях физиков началось его постепенное разгадывание. В 1896 году французский физика. Беккерель открыл радио;, активность. Помните - так мы называем самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов. Потом А. Эйнштейн установил зависимость массы и энергии. Это позволило английскому астроному и иностранному члену-корреспонденту Академии наук СССР А. Эддингтону выдвинуть идею прямого, перехода массы Солнца в энергию. Правда, как это могло происходить, никто не знал.

Примерно в ту же пору неистовый и громоподобный Э. Резерфорд наблюдал первые искусственные превращения ядер. На лабораторной установке ядра атомов азота при бомбардировке их ядрами гелия иногда вдруг глотали эти "микробомбы" и превращались в ядра атомов кислорода, излучая лишний протон. Это было чудесно и совершенно непонятно.

Картина стала проясняться, когда ученик. Резерфорда Дж. Чедвик открыл нейтрон, а советский и немецкий физики Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга построили модель атомного ядра из протонов и нейтронов. В 1939 году немецкий физик X. Бете, бежавший от фашистов сначала в Англию, а затем в США, теоретически показал, что в солнечных недрах должны существовать, по крайней мере, два вида реакций превращения водорода в гелий. Первая и основная- слияние двух протонов и образование тяжелого изотопа водорода-дейтерия, с излучением позитрона и нейтрино. И затем переход дейтерия в гелий с образованием новых свободных протонов. При этом количество высвобождающейся энергии оказывалось примерно в миллион раз больше, чем при химической реакции горения. Вторым типом реакции был углеродно-азотный цикл, который шел при более высоких температурах, очевидно, в самом солнечном ядре.

Прекрасно! Отныне, казалось, тайна Солнца разгадана. Ядерные реакции обеспечивали нашему светилу десять миллиардов лет жизни, что вполне устраивало физиков. Так что можно было успокоиться. Кстати, а что будет через оставшиеся пять миллиардов лет? Ядро Солнца к тому времени сожмется до такой степени, что температура и плотность в нем позволят ядрам гелия объединяться и образовывать углеродные ядра. Солнечная оболочка при этом распухнет до орбиты Венеры. И наше светило превратится в красного гиганта, На Земле к этому времени станет, увы, слишком жарко для жизни. Но до этого катастрофического периода время еще есть.

Как же работает Солнце? Во-первых, "ядерный котел" нашего светила занимает не так уж много места - примерно 2 процента объема в центре. Но в нем сосредоточено 50 процентов всей массы. Каждую секунду его топка потребляет около 5 миллионов тонн ядерного горючего, обеспечивая выход 4,5-1033 эрг энергии. Много это или мало? Судите сами: Земля получает едва ли стомиллионную долю. И этого оказывается достаточно, чтобы обеспечить нашу жизнь!

Я не стану в деталях расписывать реакции внутри Солнца. Заинтересовавшийся сам их легко отыщет в учебнике (например, Мартынов Д. Я. Курс общей астрофизики. М., 1971, с. 221-222). Скажу только, что ядра гелия чуть-чуть легче, чем сумма слившихся в них протонов. Этот-то крошечный избыток массы и превращается в энергию Сначала в виде жестких гамма-квантов и нейтрино. Нейтрино тут же удирают из Солнца, а гамма-кванты, сильно взаимодействуя с веществом, пробираются к поверхности и в конце концов превращаются в кванты оптического излучения, Они-то и греют, они-то и светят нам с вами.

А теперь подведем предварительные итоги:

1. Сколько состояний вещества мы знаем? Три обычных: твердое, жидкое, газообразное; и четвертое - плазма.
2. Что такое плазма? Ионизованный газ, состоящий из "ободранных" атомных ядер и электронов.
3. Какую Плазму мы знаем? Низкотемпературную (Т=105К), используемую в ионных приборах, газовых лазерах, плазмотронах, МГД-генераторах, плазменных двигателях, а также в плазменной металлургии, обработке и в бурении. Высокотемпературную (Т = 106-108 К) из смеси дейтерия и трития, которая предполагается быть использованной для управляемого термоядерного синтеза - термояда.
4. Чем отличается плазма от обычного газа? Частицы плазмы не самостоятельны, а представляют собой единый коллектив, систему. Разреженная лабораторная плазма всегда является системой неравновесной и стремится к саморазрушению.
5. Почему устойчивы звезды, состоящие из плазмы? Потому что звездные условия не чета лабораторным. На Земле их так просто не достигнуть.

Советские физики-теоретики первыми высказали идею, согласно которой горячую плазму можно попробовать изолировать от стенок камеры, сжав собственным магнитным полем. Мысль была настолько простой и очевидной, и решение казалось таким красивым, что сомнениям просто не оставалось места.

Предположим, что нам удалось в разреженном газе создать мощный электрический разряд. Естественно, что на всем его пути молекулы и атомы ионизуются и газ превратится в плазму. Но плазма - сама великолепный проводник для электричества, и потому ток в ней будет нарастать. А вместе с током станет расти и его магнитное поле, охватывающее плазму, как обручами, и сдавливающее, сжимающее ее в тонкий шнур, отрывающее от стенок камеры.

Кажется, проще простого - частицы оторваны от стенок, ток нагревает плазму до звездных температур, ядра начинают сливаться, выделяя огромное количество тепла. Реакция становится самоподдерживающейся. Термоядерный "самовар" закипает...

В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова был создан Отдел плазменных исследований, во главе которого стал удивительный человек, один из бесспорных лидеров советской науки Лев Андреевич Арцимович.

Еще не прогремело эхо первого взрыва водородной бомбы, значит, не существовало и доказательства того, что даже неуправляемый термоядерный синтез возможен на Земле. А в лаборатории Арцимовича молодые энтузиасты готовились осуществить синтез управляемый.

Как они тогда работали! Все, от руководителя до лаборанта, были первыми в мировой науке. Они знали то, что хотели знать все, но не знал никто. И это знание было самым большим богатством - дороже золотых слитков и самородков, дороже самых больших и чистых алмазов из голубых кимберлитовых трубок. Вот что такое наука! Вот чем она всегда привлекала и будет привлекать к себе людей! Лев Андреевич был необыкновенно обаятельной личностью. Острый ум, широчайшая эрудиция и необыкновенно развитое чувственного юмора.

- Что такое наука? - спросили его как-то.

- Наилучший способ удовлетворения собственной любознательности за счет государства,- не моргнув глазом ответил он.

Именно под руководством Л. А. Арцимовича в институте были разработаны установки типа "токамак". Это звучное название, ставшее международным, произошло от сокращения длинной определяющей фразы - "тороидальная камера с магнитным полем". В токамаках ток, возбужденный внешним индуктором и достигший огромной силы, протекает через плазму и нагревает ее до очень высокой температуры. Плазма как раз и находится в тороидальной вакуумной камере - этаком полом бублике. Мощная магнитная система охватывает этот "бублик", создает магнитное поле, которое отжимает горячую плазму от холодных стенок камеры. В этом заключается основная идея тока- мака.

Для того чтобы термоядерная реакция протекала относительно спокойно и вместе с тем с большим выделением энергии, нужно удерживать плазму достаточной плотности в магнитном поле определенное время. Для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы существует минимальное значение произведения концентрации ядер в единице объема - плотности плазмы на время ее удержания.

Так, к примеру, для термоядерной дейтерий-тритиевой реакции (ее часто называют просто Д + Т-реакция) при температуре 100 миллионов градусов это произведение должно быть равно 3-1014. Как расшифровать эту цифру?

Если плотность плазмы 1014 атомных ядер в одном кубическом сантиметре объема, то достаточно удержать ее в нагретом состоянии всего одну секунду, чтобы реакция пошла как надо. Это произведение плотности на время называют критерием Лоусона.

Как же обстоят дела у физиков сегодня? Плотность плазмы нужного предела уже достигла. Температура пока ниже. Время удержания доходит до одной десятой секунды. В общем, не так плохо.

Сегодня главное внимание физиков-термоядерщиков сосредоточено на токамаках как на наиболее перспективных установках. Но это вовсе не значит, что для осуществления управляемого термоядерного синтеза нет других путей.

Сейчас в нашей стране создан токамак-15. В нем плазма объемом в 23 кубометра будет нагрета уже до 70-80 миллионов градусов. И главный параметр удержания этого беспокойного детища современной физики совсем немного не дотянет до критерия Лоусона.

Еще ближе к заветному критерию предполагают подойти ученые объединения "Евратом" на строящемся тока маке "ДЖЕТ". Здесь объем высокотемпературной дейгериевой плазмы будет около двухсот кубических метров. По своим параметрам плазма должна выйти на рубеж реакторной. Таким образом, физики мира собираются продемонстрировать получение реакторной плазмы, а затем передать дело в руки инженеров,

Советские специалисты полагают, что первые практические термоядерные генераторы должны использовать обмотки из сверхпроводников. Это сразу же снизит колоссальные затраты энергии на поддерживание магнитного поля, удерживающего плазму. Здесь нужно иметь в виду, что при работе токамак потребляет столько же электричества, сколько хватило бы на жизнь целому городу. Так что экономия - дело не лишнее.

Опыт работы с такими обмотками имеется. Магнитная система токамака-7 была выполнена с использованием сверхпроводников. Учитывая всемирную заинтересованность в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза, Советский Союз предложил построить интернациональный термоядерный реактор "Интор". Его проект разрабатывается международной группой ученых и инженеров и уже прошел международное обсуждение. Предстоит решить, позволит ли политическая обстановка в мире осуществить задуманное.

А теперь еще раз подведем итоги:

1. Что такое термояд? Управляемый термоядерный синтез, основанный на реакциях перестройки атомных ядер с большим энергетическим выходом.
2. Что нужно сделать, чтобы зажечь в плазме огонь термояда? Нагреть до звездных температур, сжать до необходимой плотности, обеспечив критерий Лоусона.
3. Что такое критерий Лоусона? Произведение времени удержания высокотемпературной плазмы на плотность ее частиц. Если это произведение превышает 10¹⁴*с*см^-3, то выделяющаяся управляемым термоядерным синтезом энергия больше подводимой к системе.
4. Что такое токамак? Тороидальная камера с магнитным полем - семейство советских тороидальных магнитных ловушек для получения контролируемой термоядерной реакции в высокотемпературной плазме. Слово "токамак", как и слово "спутник", принято во всех языках мира.
5. Когда физики получат термоядерную энергию?

Какой видится завтрашняя энергетика сегодня? Пожалуй, я бы разделил все имеющиеся способы получения электрической энергии на две большие группы. Поскольку наша книга не является специализированным руководством по энерготехнике, думаю, такая вольность допустима. К первой группе можно отнести, так сказать, электрическую энергию рукотворную. Тут и ГЭС, и ТЭС, и АЭС, тут термояд, МГД-генераторы, термоэлектрогенераторы, термоэмиссионные преобразователи и топливные элементы. Ко второй - энергию, которую нам дарит природа: то есть гелиоэнергетика, энергия геотермальная, энергия ветра, волн и приливов.

Мы уже рассмотрели способы получения электрической энергии традиционным путем и даже познакомились с управляемым термоядерным синтезом. Теперь пора перейти к тому, что будет завтра. Давайте начнем с одного из главных способов получения энергии будущего с МГД-генератора.

Когда-то Фарадей заметил, что коль скоро в проводе, который движется между полюсами магнита, течет электрический ток, то оный же должен возникнуть и в потоке проводящей электричество жидкости, помещенной там же. Казалось бы, ничего нового в этом высказывании нет. Но именно в нем заключена идея МГД-генератора.

Сначала суть: при сгорании органического топлива, к примеру природного газа, при достаточно высокой температуре (не менее 2500° С) газ сей должен, как мы с вами уже знаем, перейти в состояние частично ионизованной плазмы, то есть стать электропроводным. Если же к потоку плазмы добавить какое-нибудь легко ионизирующееся вещество, ну хотя бы пары щелочных металлов - калия, натрия или цезия, то электропроводность низкотемпературной плазмы резко возрастет.

Теперь представьте себе, что мы стали продувать эту горячую проводящую плазму через достаточно мощное магнитное поле. В плазме тут же появился электрический ток. Если при этом к стенкам канала, по которому сквозь магнитное поле стремится поток плазмы, приделать электроды, замкнутые на внешнюю цепь, то по цепи пойдет ток.

Ну что? Просто? В принципе работа МГД-генератора не отличается от работы генератора Фарадея классической схемы. Только в электромеханическом генераторе проводником служит обмотка ротора, а в МГД-генераторе - поток подогретой плазмы. Электрический ток в плазме, взаимодействуя с магнитным полем, тормозит движение плазмы. И ее кинетическая энергия превращается в тепловую. Конечно, все не так просто в реализации, как в идее. Газ приходится подогревать, то есть сжигать. А это та же ТЭЦ. Да еще добавлять в него металлические пары. А чтобы канал, по которому мчит струя плазмы в 2500° С, не развалился, его нужно делать жаропрочным, как сопло ракеты. Кроме того, отработанную плазму, сохраняющую свою температуру, нужно тоже на что-то употребить. Хотя бы на подогрев пара для обычной турбины...

Э! - скажет экономически подкованный читатель. Чем она, плазма, лучше обычного топлива в ТЭЦ?

Не нужно торопиться. Какой КПД у самых лучших ТЭЦ? Не более 40 процентов, остальные 60 - летят в трубу, нагревая и обильно засоряя атмосферу. МГД- установки позволят 25 процентов от этих шестидесяти, выбрасываемых в трубу, сэкономить. Это сейчас - 25, а в будущем, может быть, и 50 процентов... Более того, магнитогидродинамическое преобразование энергии сможет применяться и в ядерной энергетике, поскольку позволит исключить паровой котел как промежуточное звено, а следовательно, и повысить КПД.

Пока, конечно, на пути к МГД-генератору взяты еще не все барьеры. Непонятно, из чего делать канал для плазмы. Тут дело упирается в надежность материалов. Кроме того, нужно создавать на всем протяжении плазменного канала, а это метров двадцать, магнитное поле очень большой интенсивности. Наконец, постоянный ток, получаемый от МГД-генератора, придется преобразовывать в переменный...

Но кое-какие успехи на этом пути уже имеются. Несколько лет назад жители московского района Ховрино стали получать электроэнергию не от городской линии электроснабжения, а от расположенного неподалеку Института высоких температур АН СССР. Это заработала пока единственная на всей Земле установка У-25 мощностью 20 мегаватт для магнитогидродинамического преобразования энергии. А москвичи между тем этого события-то и не заметили.

Недавно МГД-генератору нашли новое и совершенно необычное применение. Его использовали для глубинного электромагнитного зондирования земной коры и верхней мантии. Сначала с помощью передвижного генератора геологи экспериментировали на Урале, потом установку перевезли на Кольский полуостров. На этом участке Балтийского щита на поверхность выходят древнейшие образования Земли. Именно здесь открывается возможность наиболее полно изучить строение кристаллического фундамента, скрытого обычно под осадочными породами.

Года два тому назад мне довелось побывать на Кольской сверхглубокой скважине, которую вот уже не один год бурят неподалеку от города Заполярного. Это самая глубокая скважина в мире - двенадцать с лишним километров. Еще когда буровики вышли только на десятикилометровый рубеж, министр геологии, рассказывая о научных достижениях Кольской сверхглубокой, образно говорил о "десяти тысячах метров открытий". И вот теперь у геологов появилась возможность сравнить результаты МГД-зондирования с кернами, добытыми буровиками с разных горизонтов.

Глубинное электромагнитное зондирование земной коры и верхней мантии в принципе метод не новый. Но раньше как у нас, так и за рубежом, использовались главным образом естественные источники электромагнитного поля. Чаще всего - вариации магнитного поля Земли, которые возникают в результате взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и ионосферой нашей планеты в царстве полярных сияний, то есть на высотах 100-200 километров. Эти вариации возбуждали в теле планеты вторичные поля, которые, проникая на десятки и даже сотни километров в глубину, приносили оттуда информацию о строении недр. Это так называемые магнитотеллурические методы геофизических исследований. Непростое дело. Лучше, конечно, иметь дело с искусственными источниками тока. Некоторое время так и делали. Устанавливали на автомобилях генераторы, которые позволяли зондировать землю до глубин в несколько километров. Мало!

Лишь когда по инициативе Института атомной энергии имени И. В. Курчатова в геоэлектрику стали внедрять мощные импульсные МГД-генераторы, в описываемых методах наметился существенный поворот.

Научный эксперимент "Хибины", проведенный на Кольском полуострове, в Северной Карелии и на территории Финляндии, позволил по-новому подойти к проблеме исследования глубинной электропроводности земной коры. Геофизики сделали немало новых интересных открытий, перечеркнули некоторые прежние представления. Перед геологами открылась новая перспектива в исследованиях глубинного строения рудных полей.