Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Хотя наиболее выгодной ядерной реакцией является соединение ядер обычного водорода, но, к сожалению, осуществление термоядерной реакции на земле на таком горючем вряд ли возможно. Значительно проще осуществить термоядерные реакции на тяжелом водороде (дейтерии) и особенно легко — на сверхтяжелом водороде (тритии). Эти реакции уже используются в водородной бомбе.

Дейтерия на земле — огромные запасы. Он содержится в любой воде в небольшом количестве: примерно 0,015 процента к имеющемуся там водороду. Но ведь вода в земных океанах неисчерпаема. Было бы очень заманчивым использовать этот источник энергии в мирных целях. Быстрорастущие потребности человечества в энергии были бы обеспечены на миллиарды лет. Над этой проблемой работают многие ученые в различных странах. Исследования, проведенные советскими и зарубежными учеными в последние годы, показали, что имеются реальные пути к решению этой великой задачи.

Магнитный мешок.Для того чтобы нагреть водород до миллиона градусов, нужна небольшая энергия. Для одного грамма дейтерия это всего несколько киловатт-часов. Трудность заключается в том, что при таких температурах атомы и молекулы газов обладают огромными скоростями и разбегаются в разные стороны. Давление газа достигает миллионов атмосфер. Тепло переходит от дейтерия к окружающему веществу, к стенкам сосуда, в котором происходит это нагревание. Естественно, что в этом случае мы уже будем затрачивать огромную энергию на нагревание сосуда. Нагреть нам дейтерий так не удастся. Да и какой сосуд выдержит температуру в миллионы градусов и давление в миллионы атмосфер? Надо было придумать такую термоизоляцию, которая дала бы возможность стенкам сосуда оставаться холодными в то время, когда газ в сосуде имеет температуру в миллионы градусов. Кроме того, нужно, чтобы давление на стенки сосуда не было бы слишком высоким. Казалось бы, что эта задача неразрешима. Но решение было найдено.

Нагретый до миллионов градусов газ уже не является обычным веществом. Он состоит из движущихся отдельно друг от друга заряженных частиц: положительных атомных ядер и отрицательных электронов. Этот газ называется плазмой. Задача заключается в том, чтобы удержать заряженные частицы вместе, так как при их разлете, естественно, будет уходить энергия, заключенная в объеме газа.

В 1950 году академики И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров сделали очень интересное предложение о применении магнитного поля для термоизоляции плазмы высокой температуры. Дело в том, что в магнитном поле заряженные частицы не могут двигаться прямолинейно, а заворачиваются по окружностям. Чем больше магнитное поле, тем по меньшей окружности двигаются ионы и электроны. Правда, при столкновении друг с другом они будут перемещаться, но уйдут не дальше, чем на длину радиуса окружности. При сильном магнитном поле потеря энергии плазмой за счет движения частиц должна уменьшаться в десятки и сотни тысяч раз. Заряженные частицы нагретой до миллионов градусов плазмы будут как бы находиться в магнитном мешке. Однако стенки этого мешка, образованные магнитным полем, уже не боятся сверхвысоких температур.

После того как академики И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров высказали свою идею, физики вспомнили, что с подобным явлением, правда в меньшем масштабе, с так называемым пинч-эффектом, они уже встречались при исследовании газового разряда. Читатель ведь знает, что, когда по проводнику протекает электрический ток, вокруг него образуется магнитное поле. То же самое происходит при прохождении тока через плазму. И вот при больших токах в ртутной дуге и при некоторых других формах электрического разряда возникающая там плазма благодаря сильному магнитному полю сжимается в узкий шнур. При этом сжатии, так же как это имеет место при обычном сжатии газа, происходит повышение температуры. Однако при сравнительно малых токах, которые до сих пор использовались в газовом разряде, температура плазменного шнура достигала только десятка тысяч градусов. Это далеко до температуры, необходимой для термоядерных реакций. Но это не обескуражило ученых. Были произведены необходимые расчеты, и большая группа физиков под руководством академика Л. А. Арцимовича приступила к исследованиям.

Близко к великой цели.Оказалось, что для успеха дела — получения температуры в миллион градусов — нужны токи порядка сотен тысяч и даже миллиона ампер. Такой ток можно пропустить через плазму разрядной трубы только при напряжении в несколько десятков тысяч вольт. Достаточно перемножить значение тока и напряжения, чтобы убедиться, что мощность установки превосходит мощность всех гидроэлектростанций Советского Союза. Выход заключался в том, чтобы пропускать через разрядную трубку мощные токи в виде импульсов, длящихся миллионные доли секунды. Тогда при колоссальной мгновенной мощности средняя мощность, потребная для питания установки, получается вполне приемлемой величины.

Газоразрядная трубка с дейтерием в экспериментальной установке получала электрическое питание от мощной батареи высоковольтных конденсаторов при напряжении 50 тысяч вольт.

Много нового и чрезвычайно интересного открыли советские физики при исследовании сверхмощных импульсных разрядов. Применяя специальные и очень остроумные измерительные приборы, они обнаружили, что газ в трубке стягивается в узкий плазменный шнур, оторванный от стенок сосуда. Плазма испытывает резкие колебания, связанные с последовательным сжатием и разряжением. В сосуде возникают ударные волны с невиданной скоростью распространения — несколько сот километров в секунду. Температура плазменного шнура в момент наибольшего сжатия достигала миллиона градусов.

Интересно отметить, что в ряде исследований применялась сверхскоростная киносъемка. Киноаппарат фотографировал около двух миллионов кадров в секунду. После проявления кинопленки перед глазами физиков раскрывались все особенности процессов, длившихся миллионные доли секунды. Группа физиков и теоретиков обработала экспериментальный результат. Многие до сих пор неизвестные явления получили объяснения.

Термоядерная реакция в дейтерии всегда сопровождается излучением нейтронов. С большим удовлетворением в 1952 году физики уже в первых опытах обнаружили нейтронное излучение. Но, увы, радость была преждевременна. Дальнейшие исследования и расчеты показали, что нейтроны появляются уже при таких малых разрядных токах и температурах плазмы, когда термоядерной реакции практически еще не может быть. Было также обнаружено, что одновременно с нейтронами появляются и гамма-лучи. По своим свойствам они соответствовали рентгеновским лучам, испускаемым рентгеновской трубкой с напряжением 300–400 киловольт.