Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Простейший арифметический расчет показывал, что физикам надлежало мгновенно зажечь термоядерные реакции слияния ядер практически в твердом теле, плотность которого около 10 22частиц в кубическом сантиметре.

Ничтоже сумняшеся ученые принялись «изготавливать» в лаборатории такую же плотную плазму, какая заполняет сердцевину Солнца, но с температурой в десять раз большей. Но каким же образом?

Плазму с плотностью твердого тела можно было создать единственным способом: разогревая кусочек твердого же вещества. Поэтому мишень, на которую исследователи направили луч лазера, представляла собой что-то вроде таблетки из смеси дейтерия и трития в замороженном, твердом состоянии.

Короткий импульс лазерного света быстро переводил тонкий поверхностный слой вещества в состояние плазмы и нагревал его до высокой температуры. Плазменный сгусток не выдерживал того огромного давления, что возникало в нем из-за высокой температуры и плотности, и разлетался. Происходил небольшой термоядерный взрыв.

Физики находят, что если установки с длительным удержанием плазмы в магнитном поле напоминают паровую машину, то импульсная термоядерная установка подобна двигателю внутреннего сгорания, в котором происходят кратковременные взрывы горючего.

При лазерном термоядерном синтезе твердая мишень весом в десятые или сотые доли грамма — источник микровзрыва, эквивалентного тоннам взрывчатки. Но этот взрыв не представляет опасности ни для здоровья людей, ни для самой термоядерной установки, так как в нем участвует ничтожно малая масса вещества.

В апреле 1968 года в Физическом институте имени П. Н. Лебедева группой ученых под руководством лауреата Нобелевской премии академика Н. Басова впервые были получены нейтроны из плазмы, нагреваемой излучением лазера.

Так была открыта еще одна способность лазера — способность нагревать вещество до температуры, при которой начинается «слипание» ядер дейтерия и трития.

Следующий этап исследований, кстати незавершенный еще и по сей день, посвящен решению важнейшего вопроса: какой максимальный выигрыш в энергии может дать лазерный термоядерный синтез?

Казалось, что импульсный метод получения термоядерной энергии никаких резервов в себе уже не таил. Время жизни плазмы практически не зависело от конструкции установки. Резерв по плотности тоже как будто был полностью выбран. Физики уже работали с «твердой» плазмой, температуре которой позавидовало бы само Солнце.

И все-таки плотность оставалась тем единственным рычагом, нажимая на который можно было добиться энергетически выигрышных реакций.

Лазерный луч, ударяя по поверхности твердой мишени, нагревает лишь ее поверхностный слой. Большая плотность вещества не дает возможности световому излучению проникнуть на достаточную глубину. Огромная тепловая энергия, которая выделяется на поверхности за счет сильного поглощения света, уносится внутрь мишени только горячими электронами.

Такой метод нагрева не очень-то эффективен. С его помощью можно получить плазму лишь с такими параметрами, которые позволяют только-только свести концы с концами. Добываемая термоядерная энергия никогда не превысит энергии, затраченной на разогрев вещества.

В 1972 году группа американских ученых предложила новую схему лазерного термоядерного синтеза с выигрышем энергии в сотни раз за счет еще большего повышения плотности мишени. По их замыслу, твердый шарик из замороженной смеси дейтерия и трития со всех сторон облучается световыми пучками лазеров. На поверхности сферы должен появиться слой горячей плазмы в виде короны. В перегретой и плотной «короне» должно возникнуть давление до сотен миллиардов атмосфер и разнести плазму во все стороны (и к центру сферы, естественно).

Вот этот «пресс» из быстрых частиц, по идее, и должен уплотнить внутренние области мишени, нагревая их за счет работы сил сжатия. Плазма тотчас приобрела бы плотность, может быть, в сотни раз превышающую плотность твердого тела, и скорость термоядерных реакций при такой плотности резко возросла бы: ядра дейтерия и трития чаще сталкивались бы друг с другом.

Первые эксперименты по сжатию плазмы до сверхплотных состояний были поставлены в Физическом институте имени П. Н. Лебедева. Там под руководством Н. Басова в 1970 году была создана уникальная лазерная установка для сферически симметричного облучения мишени. За короткое время, приблизительно равное 10 –9секунды, девять лазерных пучков установки обрушивали на твердый шарик диаметром 10 –2сантиметра, помещенный в центре вакуумной камеры, энергию в 1000 джоулей. Световые лучи практически одновременно, с точностью до 10 –10секунды, сходились в одной точке, создавая плазму и вызывая в ней термоядерную реакцию.

Мгновенный, по сути дела, процесс образования и разлета плазмы ученые анализировали с помощью киноаппарата, только не обычного, а лазерного сверхскоростного с частотой съемки до 1 миллиарда кадров в секунду. Аналогичные термоядерные установки были запущены во Франции и США. Однако проблема лазерного управляемого термоядерного синтеза еще далеко не решена.

В сверхсжатой мишени термоядерные реакции обещают стать энергетически выгодными, если увеличить мощность лазеров до 10 5–10 6джоулей и выполнить жесткие требования по отношению к форме лазерного импульса.

Но сотрудники ФИАНа и Института прикладной математики АН СССР разработали новую схему термоядерного синтеза. Эта схема дает возможность получать в 1000 раз больше энергии по сравнению с затрачиваемой на создание плазмы и одновременно отменяет особые требования на форму светового лазерного импульса.

Идея заключается в сжатии лучами лазеров не твердых шариков, как это было в предыдущем случае, а мишеней, представляющих собой тонкие сферические оболочки, состоящие из целого набора слоев легких веществ, тяжелых и термоядерного горючего.

Лазеры с импульсами простой формы и с общей мощностью в миллион джоулей сжимают вещество мишени до плотности, почти в 10 раз большей, чем у самого тяжелого химического элемента. Из теоретических оценок следует, что в этих условиях термоядерные реакции синтеза будут энергетически выгодными.

Теперь главная задача заключается в развитии лазерной техники. Ученые работают над созданием крупных лазерных установок, которые позволили бы проверить те новые физические идеи, которые помогут решить проблемы управляемого лазерного синтеза.

После того как в США начались успешные исследования на термоядерных установках непрерывного действия типа Токамак, сотрудники Комиссии по атомной энергии высказали предположение, что демонстрационный действующий термоядерный реактор будет, вероятно, закончен уже в середине 90-х годов.