Ускоритель-генератор энергии

Ускорители элементарных частиц используются сегодня очень широко. Но даже при богатом воображении трудно перебросить мостик от слова "ускоритель" к слову "генератор" - аппарат, вырабатывающий энергию. Прямо-таки бьет в глаза вопиющее противоречие в самом сочетании этих слов. Как ускоритель может быть генератором энергии, когда он сам непрерывно потребляет ее в солидных количествах?

В самом деле, если прекратить подачу тока, огромная машина тотчас замрет. И никому не известно о таких случаях, когда бы ускоритель возвратил затраченную энергию, не говоря уж о том, чтобы производить ее.

И тем не менее то, что утверждает заголовок, не сказка. Еще, правда, и не быль, но уже вполне реальная возможность. Оказывается, с помощью ускорителя элементарных частиц можно получать топливо для ядерной энергетики.

В 1955 году дала ток первая в мире атомная электростанция в Обнинске под Москвой мощностью всего лишь в 5 мегаватт. Сейчас во всех странах работает более 230 атомных электростанций общей мощностью в 20 ООО мегаватт. Пока это всего лишь 2 процента энергетических мощностей мира. Но по прогнозам энергетиков, к 1980 году процент этот увеличится до 30, а к концу столетия - до 50!

Пришло время, когда атомная энергия из неожиданной находки физики микромира превращается в важный энергетический ресурс планеты.

"Легко убедиться, - говорит академик Н. Боголюбов, - что за период от I Международной женевской конференции по мирному использованию атомной энергии 1955 года до IV - в сентябре 1971 года произошли радикальные изменения во взаимоотношениях "атом - общество".

Действительно, проблема, над которой раньше работали лишь ученые, занимающиеся ядерными реакторами, интересует теперь очень широкий круг специалистов. Генеральная Ассамблея ООН поставила перед IV женевской конференцией новую важную цель: она должна быть полезна не только для ученых и инженеров, но также для организаторов промышленности, администраторов, экономистов. Атомная энергетика превращается в жизненную необходимость.

А теперь вернемся к проблеме ядерного топлива. Что мы подразумеваем под этими словами? Уран? Да, топливом для ядерных электростанций является природный уран. Но что дарует нам природа? Только 0,7 процента от этого подарка составляет изотоп урана-235 - те "сухие лучинки", что сгорают в реакторе. Все остальное - "сырые дрова", негорючий уран-238. Если б можно было использовать его, то добытого урана хватило бы на сотни лет. Но в тепловых реакторах выжигается лишь ничтожная его часть.

Если сравнить современные масштабы добычи урана с его "неполным" сгоранием в реакторах, то вывод оказывается неутешительным. Несмотря на чрезвычайную "калорийность" уранового топлива, его слишком мало и не хватит атомной энергетике будущего.

Но природа не скупа. Кроме урана-235, она наделила способностью к делению плутоний-239 и уран-233, лишив нас в то же время возможности добывать их естественным путем: ни того, ни другого изотопа в природе не существует.

Физики-ядерщики знают, однако, что плутоний можно получить из урана-238, а уран-233 - из негорючего природного тория, если облучить их мощным потоком нейтронов.

На VII мировом энергетическом конгрессе академик А. Александров сказал: "Когда мы говорим о практически неисчерпаемых энергоресурсах ядерного горючего, то имеем в виду необходимость и возможность ввода в игру вторичного горючего - плутония и использования благодаря этому большей части запасов урана-238. Без этого не может быть речи о длительном развитии ядерной энергетики в тех масштабах, которые определяются современными темпами технического прогресса, так как ресурсы урана-235 для этого будут недостаточны".

Разведанные запасы сырья могут удовлетворить потребности в уране только до конца 70-х годов. Поэтому уже сейчас встает задача налаживания производства вторичного горючего в больших масштабах.

Плутоний можно получить, имея огромное число нейтронов. Но где их взять? Возникает еще одна проблема - получения интенсивных потоков нейтронов.

Несколько нейтронов рождается при делении ядер в атомных реакторах. Часть из них тут же поглощается для поддержания цепной реакции. А некоторые нейтроны все-таки становятся добычей ядер урана-238. Из отработанных урановых стержней извлекают новое ядерное топливо - плутоний.

Гораздо эффективнее этот процесс происходит в реакторах на быстрых нейтронах. Вокруг активной зоны реактора, работающего на чистом уране-235 или плутонии, выкладывают негорючий, "сырой" изотоп урана или торий. Поглощая быстрые нейтроны, вылетающие из этой зоны, они превращаются в расщепляющийся материал.

Но пока что перед создателями этих реакторов стоит целый ряд нерешённых инженерных и физических задач. Реакторы должны быть экономически выгодными. А главное, чтобы обеспечить необходимый темп развития ядерной энергетики, количество плутония в них должно удваиваться максимум за 5-7 лет. Все же существующие и строящиеся реакторы на быстрых нейтронах обеспечивает удвоение плутония в 2-4 раза медленнее, чем требуется.

Тогда физики предложили другой метод получения делящихся материалов, связанный не с тепловыми или быстрыми реакторами, а с ускорителями элементарных частиц.

Атомные ядра - это настоящие кладовые, набитые нуклонами. Но как их вскрыть - вот в чем проблема. В ядерных реакторах нейтроны освобождаются в реакциях деления. Но есть и другая возможность.

В начале нашего века Э. Резерфорду с помощью примитивного инструмента - источника альфа-частиц впервые удалось выбить из легких ядер протоны. Но много ли можно добиться, "ковыряя" замок хитроумного ядерного сейфа почти голыми руками? А когда ученые вооружились орудиями большого калибра - мощными ускорителями элементарных частиц, им удалось вызвать реакцию расщепления ядер тяжелых атомов. Ускоренные протоны так сильно встряхивают переполненные слабо связанными нуклонами ядра, что из них одновременно высыпается несколько десятков частиц. Один протон большой энергии может вытряхнуть око- го 17 нейтронов из ядра урана и около 12 из ядра свинца. Освобожденные частицы имеют достаточно большую энергию и, сталкиваясь с другими ядрами, в свою очередь, встряхивают их. Так одна за другой раскрываются "двери" ядерных кладовых.

В реакциях деления удается извлечь лишь по нескольку нейтронов из ядер дефицитных делящихся материалов. Но если поместить кусок свинца в мощный пучок протонов, вылетающих из ускорителя, свинец превратится в генератор нейтронов.

А теперь вместо свинца поместим достаточно протяженную массивную мишень из урана-238 или из тория. Достаточно включить ускоритель, и дело закипит: протоны начнут трясти ядра мишени, а осыпающиеся нейтроны будут "подсушивать" негорючий уран. Такой метод получения вторичного ядерного топлива назвали электроядерным.

Идея этого метода, его физические основы известны давно. Но раньше он не мог быть применен из-за отсутствия необходимого для него ускорителя. У физиков сегодня большой выбор: циклотрон, фазотрон, синхрофазотрон... Но ни одна из существующих машин для этой цели не подходит.

Серпуховской ускоритель разгоняет впущенные в него протоны до 70 ООО мега-электрон-вольт. Но число одновременно ускоряемых им частиц невелико - около 1012 протонов в секунду. Для промышленного же производства нейтронов электроядерным методом достаточно сообщить протонам энергию 1000 Мэв, но ускоритель должен выбрасывать в миллион раз больше частиц.

Как заставить магнитное поле ускорителя собирать, удерживать и разгонять такое огромное количество протонов? В сильноточном ускорителе частицы должны фокусироваться магнитным полем еще более жестко, чем даже в Серпуховском. Но можно ли одновременно увеличить плотность пучка протонов и сохранить одинаковой частоту его обращения?

Казалось, что удовлетворить одновременно и тому и другому требованию невозможно. Но что скажет эксперимент, да и с чем экспериментировать? Ведь прежде чем строить сложный и дорогостоящий ускоритель, надо быть уверенным, что он обязательно заработает.

Разорвать заколдованный круг удалось советским ученым, которые под руководством члена-корреспондента АН СССР В. Джелепова и профессора В. Дмитриевского создали модель сильноточного протонного циклотрона.

Когда говорят о создании модели новой машины, речь идет о ее уменьшенной копии. А что означает создание модели ускорителя? Миниатюрный ускоритель, все размеры которого сокращены в несколько раз, может быть лишь макетом, а не моделью. Маленький магнитик не сможет разогнать протоны до энергии в 1000 Мэв, - а промоделировать движение частиц надо именно с той скоростью, какую они имеют при такой энергии.

Легко сказать, найти модель для протона. И все-таки ее нашли. Электрон! Полноправный гражданин мира элементарных частиц, электрон тоже владеет единичным зарядом, но почти в тысячу раз легче протона. Электроны с энергией всего 0,5 Мэв имеют ту же скорость, что и тяжелые протоны, ускоренные до 1000 Мэв, и прекрасно имитируют движение протонов в магнитном поле.

На маленькой электронной модели протонного циклотрона диаметром всего в два метра удалось подобрать необходимую. конфигурацию поля. Модель оказалась вполне жизнеспособной. В начале 1971 года директор лаборатории ядерных проблем ОИЯИ В. Джелепов сообщил: "Эксперименты на электронной модели показали, что можно ускорять протоны до энергий порядка 1000 Мэв и одновременно будут вылетать 1018 частиц в секунду! Мощность такого пучка будет достигать сотен мегаватт. А это путь к созданию сверхмощных мезонных фабрик, нейтронных генераторов и др.".

"Мезонная фабрика" - такое название закрепилось за ускорителями, рассчитанными на энергию протонов не больше 1000 Мэв, но с интенсивностью частиц на несколько порядков выше, чем у обычных машин. На этих установках можно будет получать мощные пучки пи- и мю-мезонов. Пучки эти необходимы не только для фундаментальных исследований, но и для чисто практического применения.

В нашей стране есть малоосвоенные места с дешевыми источниками энергии. Например, Восточная Сибирь с ее неисчерпаемыми запасами гидроэнергии. Сейчас ток, вырабатываемый сибирскими ГЭС, по линиям высокого напряжения большой протяженности вливается в общую энергосистему. Потери на этих линиях довольно велики. Сильноточный ускоритель с мишенью-реактором мог бы прямо на месте с большой экономической выгодой перерабатывать дешевую энергию в ядерное топливо. А компактную продукцию такого "завода" нетрудно переправить туда, где она необходима.

Невозможно сказать, когда, где и в каком варианте будет создана такая установка для получения вторичного горючего. Это зависит от многих обстоятельств: и от дальнейшего развития ускорительной техники, и от того, удастся ли найти удачное инженерное решение конструкции реактора-мишени, и от того, будет ли эта реальная установка экономически выгодной.

Но ясно одно. Предложен новый способ получения расцепляющих материалов, основанный на глубоком знании поведения элементарных частиц больших энергий.