Борис Кузнецов - Философия оптимзма

В докладе Нафикса (председателя Федеральной энергетической комиссии США) «The Potential impact of environmental provisions atom elecfric utility systems» общая мощность намечена в объеме 668 млн. квт в 1980 г. и 1260 млн. квт в 1990 г., а мощность атомных станций составит 147 млн. квт в 1980 г. и 500 млн. квт в 1990 г.

В докладе Лякоста на той же конференции средний прирост мощности атомных станций на предстоящие 30 лет намечается на 7 % каждые 10 лет, и при выработке электроэнергии 10 триллионов квтч в 1980 г., 20 триллионов квтч в 1990 г. и 32 триллиона в 2000 г., доля атомных станций, равная 23 % в 1970 г., составит 30 % в 1980 г., 37 % в 1990 г. и 50 % в 2000 г. [48]

Физико-технический прогноз — возможность строительства реакторов-размножителей — позволяет правильно оценить тот экономический прогноз, который напрашивается при анализе проектировок 1967 г. Указанный прогноз — превращение атомной энергетики к началу XXI в. в преобладающую компоненту баланса электроэнергии. Из перспективы перехода к реакторам-размножителям следует, что подобное превращение является ступенью к еще более решительному преобладанию атомной энергетики. Можно представить себе, что реакторы-размножители будут обеспечивать нарастающее преобладание атомной энергетики, пока применение термоядерных реакций не снимет полностью проблему ограниченности и истощения энергетических ресурсов.

Перейдем к этой, более высокой ступени атомной энергетики. Она еще не может служить основой для прогнозов с такой степенью определенности, которая характерна для атомной энергетики, использующей деление тяжелых ядер. Мы и здесь встречаемся с соотношением: чем радикальнее прогнозируемая трансформация техники и экономики, тем неопределенней сам прогноз в смысле конкретных путей и сроков. Термоядерная энергетика обещает более глубокую трансформацию энергетики и более мощное «резонансное воздействие» на классическую энергетику, на характер труда и технологию, чем деление тяжелых ядер. Речь здесь идет о новой принципиальной физической схеме, которая гораздо больше отличается от всех путей использования тяжелых элементов, чем эти пути отличаются один от другого. Термоядерная энергетика, использующая примерно в десять раз большую долю внутренней энергии частиц, чем атомная энергетика, о которой до сих пор шла речь, основана не на делении тяжелых ядер урана и плутония, а на синтезе очень легких ядер. Уже говорилось, что в начале периодической таблицы Менделеева дефект массы (то, что было сопоставлено с компактностью упаковки ядерных частиц) быстро растет. Атомное ядро водорода, состоящее из одной частицы — протона, разумеется, не имеет дефекта массы, но уже более тяжелые ядра, содержащие две, три и т. д. частицы, обладают дефектом массы. Поэтому синтез легких ядер, образующий несколько более тяжелые ядра, освобождает энергию. Именно подобная реакция поддерживает энергию звезд. Звезды излучают энергию в пространство, но эта потеря энергии компенсируется синтезом легких ядер из водорода.

Наибольший интерес представляет следующая конкретная реакция синтеза. Перед нами — ядра дейтерия, уже известного нам изотопа водорода, т. е. ядра, каждое из которых включает кроме протона еще нейтрон и, таким образом, состоит из двух ядерных частиц. Существует изотоп водорода с тремя ядерными частицами в каждом ядре — протоном и двумя нейтронами. Он называется тритием. Дефект массы на одну частицу, т. е. удельный дефект массы, у трития несколько больше, чем у дейтерия. Если ядро дейтерия (один протон и один нейтрон) сталкивается с другим ядром дейтерия (еще один протон и еще один нейтрон), то могут образоваться одно ядро трития (протон и два нейтрона) и одно ядро обычного водорода (протон). Может быть и другой результат: слияние двух ядер дейтерия даст ядро изотопа гелия с тремя частицами — двумя протонами и нейтроном — и один свободный нейтрон.

Но, чтобы ядра слились, они должны приблизиться одно к другому на расстояние порядка их линейных размеров. Между тем ядра (в описываемом случае ядра дейтерия) имеют одинаковые электрические заряды и отталкивают друг друга. Такое отталкивание будет преодолено, если ядра обладают достаточно большой кинетической энергией, соответствующей температуре порядка ста миллионов градусов. Поэтому-то реакции синтеза легких ядер и называются термоядерными. При взрыве водородной бомбы иницирующий взрыв плутония или урана-235 создает температуру, необходимую, чтобы началась термоядерная реакция. Наиболее радикальная энергетическая революция, которую мы можем себе представить, исходя из уже известных нам физических принципов, состоит в использовании управляемой термоядерной реакции.

Синтез ядер гелия из ядер дейтерия становится интенсивным при температуре в несколько миллионов градусов, а чтобы этот синтез давал практически существенные количества энергии, требуются температуры в несколько сотен миллионов градусов. При таких температурах любое вещество становится плазмой, т. е. смесью атомов, потерявших свои электронные оболочки и оторвавшихся от атомов электронов. Когда температура достигает нескольких тысяч градусов, уже начинается отрыв электронов с внешних атомных оболочек. Эти электроны уравновешивают в нейтральном атоме положительный заряд ядра. Когда они отрываются, атом становится ионом, ионизируется. По мере дальнейшего повышения температуры доля ионов и электронов все возрастает, а доля нейтральных атомов уменьшается. При температуре в 20–30 тыс. градусов в плазме уже почти не остается нейтральных атомов. После этого дальнейшее повышение температуры срывает с атомов все более глубокие и тесно связанные с ядром электронные оболочки. Атомы тяжелых элементов, включающие десятки и даже сотню электронов, полностью ионизируются, когда температура достигает миллионов и десятков миллионов градусов.

Термоядерные реакции происходят в плазме. Например, в звездах, которые представляют собой плазменные образования. Но, когда речь идет о лабораторных или промышленных установках, плазма, по-видимому, должна быть заключена в сосуд. Здесь-то и возникает кардинальное затруднение. В свое время в средневековой Европе велся схоластический спор о неком всерастворяющем веществе. Где хранить это вещество? Ведь оно растворит любой сосуд. Несколько аналогичный, хотя вовсе не схоластический, вопрос возникает, когда речь идет о плазме. Любой содержащий плазму сосуд испарится и, более того, сам превратится в смесь ионизированных атомов и электронов. Путь к преодолению такого затруднения состоит в следующем. Если силовые линии магнитного поля окружают плазму со всех сторон, она, находясь в вакууме, не будет распространяться, не приблизится к стенкам сосуда и сосредоточится в ограниченном пространстве, окруженная пустотой. При прохождении тока через плазму, содержащуюся в вакуумной трубке, магнитное поле тока удерживает плазму, не дает ей коснуться стенок трубки, и в трубке образуется тонкий плазменный шнур. Можно создать термоизоляцию плазмы с помощью внешних магнитных полей, не связанных с током, проходящим через плазму. Беда в том, что плазменный шнур, о котором идет речь, неустойчив, он деформируется и в течение миллионных долей секунды меняет свою форму, касаясь стенок трубки. Неустойчивым оказывается и плазменный сгусток в ловушке, созданной внешними магнитными полями.