Тим Скоренко - Изобретено в СССР

В 1933-м американский физик Гилберт Льюис, впервые выделивший чистую тяжёлую воду – оксид дейтерия D 2O, прислал в Кавендишскую лабораторию несколько образцов нового вещества для дальнейших исследований. Ядра дейтерия, дейтроны D ( 2H), состоящие из одного протона и одного нейтрона, стали использовать в качестве бомбардирующих частиц в ускорителе, сконструированном под руководством Олифанта. Олифант обнаружил, что при столкновении дейтронов с ядрами трития (тритонами) или другими дейтронами высвобождается значительно больше энергии, чем могло бы получиться при сложении стартовых энергий частиц. Он сделал вывод, что столкновение освобождает энергию связи, затрачиваемую на поддержание стабильного состояния ядер. По сути, Олифант впервые в истории провёл термоядерную реакцию (столкновение дейтерия и трития приводит к образованию гелия-4, высвобождению одного нейтрона и 17,59 МэВ энергии). Он описал это явление и заодно предположил, что именно цепная термоядерная реакция поддерживает функционирование звёзд, и в частности Солнца. Впоследствии в ходе активных исследований в этой области теория Олифанта подтвердилась: протон-протонный цикл, определяющий превращение водорода в гелий внутри звёзд, в 1938 году объяснил американский астрофизик Ханс Бете.

Выброс большого количества энергии в первую очередь, конечно, интересовал военных. Так что направление исследований и в США, и в СССР довольно быстро сдвинулось в сторону термоядерных бомб (об этом можно прочитать в главе 39). Но параллельно велась работа и над управляемой термоядерной реакцией. Новая технология в теории могла решить мировую энергетическую проблему: никакие атомные электростанции не сравнятся по объёму высвобождаемой энергии с термоядерной реакцией. Но вот незадача: атомные электростанции появились уже в 1950-х, термоядерные бомбы – тоже. А на службу мирному делу термояд не поставлен до сих пор! Каждые несколько лет учёные предрекают, что управляемая термоядерная реакция будет проведена в ближайшее время, но воз и ныне там.

Тем не менее в этом направлении всё время делаются большие шаги. В частности, для исследования реакций термоядерного синтеза был разработан целый комплекс оборудования, позволяющего приблизиться к управляемой термоядерной реакции и в теории добиться её осуществления. Одним из важнейших элементов исследовательской системы являются специальные магнитные ловушки, способные удерживать высокотемпературную плазму, не позволяя ей контактировать с другими элементами реакции. Существует несколько типов таких ловушек, но два основных – токамаки и стеллараторы. Первые появились в Советском Союзе.

Во время реакции термоядерного синтеза более лёгкие ядра объединяются в более тяжёлые. Самопроизвольно такая реакция никогда не произойдёт, по крайней мере на Земле (внутри звёзд она возможна и даже обязательна), поскольку взаимодействие между ядрами определяется двумя противоборствующими силами.

Во-первых, это простая и понятная сила электростатического отталкивания: по знаменитому закону Кулона одноимённо заряженные тела, в том числе ядра, отталкиваются друг от друга.

Во-вторых, это так называемые ядерные силы – проявление сильного ядерного взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий. Оно наблюдается только на очень малых расстояниях и отвечает за связь кварков в протонах и нейтронах, а также протонов и нейтронов в атомных ядрах – именно благодаря сильному взаимодействию ядра не разваливаются. Природа сильного взаимодействия обусловлена свойствами фундаментальных частиц – кварков, из которых формируются более крупные частицы, а также глюонов – переносчиков сильного взаимодействия. Но я не хочу и не буду вдаваться в физику сильных взаимодействий: она достаточно сложна и вряд ли тогда мои объяснения поместятся в одну главу, а для базового понимания сути термоядерных реакций достаточно уже приведённых сведений.

Так вот, на очень малых расстояниях, менее одного фемтометра (10 –15метра), сильное взаимодействие начинает преобладать над силой электростатического отталкивания между атомами. Для понимания: это расстояние примерно в 100 000 раз меньше размеров атома, оно ближе к размерам атомного ядра. Минимальная энергия, которую нужно затратить частице, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание, называется высотой кулоновского барьера или просто кулоновским барьером.

Для преодоления кулоновского барьера ядрам нужно сообщить значительную кинетическую энергию, например посредством разгона на ускорителях или нагрева. В последнем случае температура, требуемая для реакции, очень высока и достигает нескольких миллионов градусов.

Теперь об элементах. Вообще в реакции термоядерного синтеза с выделением энергии вступают любые лёгкие элементы вплоть до железа, нужно только создать достаточную температуру. В качестве примера можно привести звёзды, в ядрах которых происходит термоядерное горение водорода, гелия, углерода, кислорода, азота и т. д. Однако создавать соответствующие температуры и давления на протяжении достаточного времени под силу звёздам, но не человеку. Поэтому приходится выбирать из более или менее осуществимых вариантов, требующих не таких высоких температур. Есть несколько типов возможного топлива для управляемой термоядерной реакции. Самый распространённый вариант – это реакция дейтерия 2Н и трития 3Н (именно её провёл Олифант, и именно она используется в водородной бомбе). Когда ядра дейтерия и трития преодолевают кулоновский барьер и происходит их слияние, образуется новый элемент – гелий – и высокоэнергетический нейтрон, а сама реакция выглядит вот так:

2 1H + 3 1H → 4 2He + n + 17,589 МэВ

17,589 МэВ – выделяющаяся при реакции энергия. Есть и другие варианты термоядерного топлива, например дейтерий 2Н и 3Нe (гелий-3) или два ядра дейтерия (это называется монотопливом).

Как уже говорилось, температура и, соответственно, энергия преодоления кулоновского барьера очень высока, и она в любом случае значительно превышает температуру ионизации атомов топлива. Скажем, для дейтерия и трития энергия преодоления потенциального барьера составляет 100 000 эВ, а энергия ионизации их атомов – всего 13 эВ! Так что топливо в процессе реакции будет представлять собой облако ионизированного газа, то есть плазму.

А теперь представьте, что у нас есть облако высокотемпературной, нагретой до нескольких десятков миллионов градусов плазмы. Как вообще её контролировать? Как удерживать? Она расплавит или даже испарит любое вещество, из которого сделаны стенки сосуда, не говоря уже о том, что, если поместить её в какой-то идеальный неуничтожимый объём, она попросту начнёт остывать, теряя необходимые для реакции свойства.