Александр Проценко - Энергия будущего

Пожалуй, вот и все, что необходимо для понимания связи квантового оптического генератора и термоядерной реакции.

Вторая жизнь открытия

Теперь можно вернуться к уже упомянутому предложению Н. Басова и О. Крохина об использовании лазера для получения термоядерной реакции.

В принципе физическая сх.ема осуществления лазерного термоядерного синтеза достаточно проста. На яебольшой шарик (теперь это мишень) замороженной дейтериево-тритиевой смеси направляют этот луч. Шарик мгновенно разогревается. Вскоре его температура достигает нескольких десятков миллионов градусов, то есть того предела, за которым начинается интенсивная термоядерная реакция. Увы, начавшись, она тут же прекратится, так как взрыв термоядерного топлива - ядер дейтерия и трития, превратившихся в плазму, - разбросает это топливо в разные стороны.

Удержать вещество шарика, доведенного до четвертого состояния, невозможно. При плотности вещества в кубическом сантиметре этого шарика 1022-1023 ядер давление плазмы в тысячи раз превысит те силы, которые сегодня можно создавать с помощью магнитных полей для удержания вещества мишеней от преждевременного разлета.

Но, оказывается, для осуществления реакции в такой плотной плазме вовсе не обязательно магнитное удержание. Ведь в ней все произойдет так быстро, что большинство пар дейтерий - тритий успеет прореагировать, образовав ядра гелия за очень короткое время, еще до того, как шарик прекратит свое существование. Какое же это время?

Скорость разлета плазмы при температуре, например, в сто миллионов градусов, равная скорости звука в плазме при этой температуре, составляет около тысячи километров в секунду. Значит, путь, равный размеру шарика, скажем, в несколько миллиметров, плазма пройдет за миллиардные доли секунды. За это время от центра шарика, где в первую очередь и начинается термоядерная реакция, волна разрежения вещества дойдет до верхних наружных слоев, плотность ядер топлива в единице объема станет малой и реакция затухнет.

Характер протекания этого взрыва показывает, что всю энергию лазерного луча, необходимую для возбуждения термоядерной реакции, надо успеть внести за время, по крайней мере не большее, чем время разлета плазмы, образовавшейся из первоначальной прореагировавшей части шарика-мишени. Возможно ли это?

Да, мы об этом уже говорили. Лазер как раз такое устройство, которое позволяет создавать очень короткие импульсы энергии длительностью в 10^-9-10^-11 секунды.

Стоит сказать еще об одном условии, необходимом для осуществления термоядерной реакции. Какое количество энергии, которую должен внести лазерный импульс в шарик за этот короткий миг, чтобы разогреть его до необходимой температуры? Эта энергия, по нашим житейским представлениям, невелика: для шарика весом в один грамм (такой вес и нужен для того, чтобы реакция прошла успешно) эта величина колеблется в пределах от 30 до 300 киловатт-часов.

Действительно, не очень-то много. Однако, если вспомнить, что энергия, выстреливаемая лазером в импульсе, составляет всего несколько сотых долей ваттчаса, то ясно, что одним лазером ничего поделать нельзя. Значит, для получения импульса с минимальной для начала реакции величиной энергии, хотя бы в 30 киловатт-часов, придется "взять в упряжку" миллионы лазеров! Практически такая задача совершенно невыполнима. Перед этой фантастикой отступили даже наиболее оптимистично настроенные ученые. И казалось, что работа зашла в тупик. Это был один из самых трудных переломных моментов в исследованиях по лазерному термоядерному синтезу. Но тут группа ученых "выдала" довольно простую идею. Вот ее смысл: до нагревания шарика необходимо сильно увеличить его плотность с помощью энергии того же лазера. Это позволит тогда существенно уменьшить необходимую для зажигания реакции энергию лазера.

Сама идея безударного адиабатического сжатия, безусловно, не только хорошо известна и применяется специалистами, но и изложена во множестве учебников и монографий. Тем не менее в применении к проблеме лазерного термоядерного синтеза она оказалась принципиально новым техническим решением.

Чтобы сжать шарик из термоядерного топлива и увеличить его плотность в десятки тысяч раз, нужно создать на его поверхности давление, равное, например, давлению в центре Солнца. Полагают, что за счет сил гравитации оно гам равно ста миллиардам атмосфер.

Сто миллиардов атмосфер! Сопоставим эту величину с привычными мерками. Всяческими механическими ухищрениями или детонацией взрывчатых веществ достигают только около миллиона атмосфер. За счет сферического взрывного обжатия можно это давление увеличить еще примерно в 10 раз.

Собственно лазерное излучение создает на поверхности шарика огромное давление в 100 миллионов атмосфер! Но этого еще мало! Нужно больше. Необходимое давление получается "автоматически": при взаимодействии луча лазера с поверхностью шарика вещество поверхности шарика взрывается и начинает разлетаться, создавая импульс давления, направленный внутрь шарика, то есть сжимает шарик. Этот импульс гораздо больше того, что создается самим лучом. Те, кто интересовался работой реактивных двигателей, знают, что при равной мощности двигатель с материальным рабочим телом, например водородом, создает большую тягу (то есть давление), чем фотонный (световой). Значит, сжатие шарика, создаваемое реактивным действием плазменной струи испаряющегося вещества, больше, чем действие лазерного луча. Вследствие этого эффекта давление светового луча на поверхности шарика увеличивается еще в 100 раз. Наконец оно может возрасти почти на столько же за счет применения взрывного обжатия шарика.

В конечном счете лазер может создать в шарике из топлива давление, сравнимое с давлением в центре Солнца.

Существует, однако, на этом пути серьезное препятствие. Если пытаться брать данную крепость, что называется, "в лоб", одним ударом лазерного луча, то почти ничего не получится, так как плотность шарика увеличится всего в несколько десятков раз. Ее возрастанию помешает быстрый нагрев шарика, а с ростом его температуры станет расти его внутреннее давление (или упругость). А это будет препятствовать дальнейшему сжатию, и разогретый шарик, не успев как следует сжаться, начнет расширяться. В противовес этому было предложено не простое, а "безударное адиабатическое"

сжатие.

Приближенно его можно осуществить, если, меняя во времени мощность лазерного луча, произвести вначале обжатие шарика медленное, чтобы скорость сжатия на начальном этапе была меньше скорости звука в шарике и в нем не создавались бы ударные волны. Отсюда "безударное" сжатие, то есть отсутствие ударных волн, которые в противном случае, уходя вперед от фронта сжатия, разогревали бы шарик. Так как они не возникают почти до конца сжатия, то шарик не разогревается, поскольку в него не вносится тепло (адиабатическое сжатие). Затем на последнем этапе можно сильно увеличить мощность луча и разогреть шарик. При таком сжатии плотность в нем ядер возрастет в несколько тысяч раз и сможет достичь 1000-2000 граммов на кубический сантиметр.