книги из ГПНТБ / Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества

чиво и, .не дожидаясь недостающего нейтрона, рас­ падается в несколько этапов. iB конце концов из него образуются... углерод и гелий, с которых мы и начинали.

Эта цепочка, называемая углеродно-азотным циклом — по имени участвующих в ней ядер угле­ рода и азота, — не имела бы никакого интереса,

Цепочка ядерных превращений в углеродно-азот­ ном цикле.

Р — протоны, р+ — позитроны. Не, С, N, О —

соответственно ядра гелия, углерода, азота и кислорода. Цифры над химическими символами означают общее количество протонов и нейтронов з ядрах (массовые числа).

если бы на каждом из ее звеньев не выделялась огромная энергия того же порядка, что и в протон­ но-протонном цикле). Отличительной чертой угле­ родно-азотного цикла является то, что он в сред­ нем протекает (быстрее, чем протонно-протонный цикл, причем при гораздо более высокой темпера­ туре. В сегодняшнем Солнце углеродно-азотный цикл, по-видимому, .в сколько-нибудь значительных масштабах не идет, а возбудится лишь на поздних стадиях жизни Солнца, которое к тому времени «перенасытится» ядрами гелия.

Таким образом, при нагревании ядерного горю-

70

чего, до сверхвысоких температур происходит син­ тез легких ядер. Энергия, выделяющаяся при син­ тезе, имеет поэтому другое происхождение, чем энергия, освобождающаяся при делении ядер ура­ на. Чтобы отличить ее, ученые назвали такую энер­ гию термоядерной.

ПОДВЕДЕМ ИТОГ

Итак, обобщим все сказанное выше о секрете солнечной деятельности. Солнце представляет со­ бой гигантский шар, вещество которого находится в плазменном состоянии. Температура в центре это­ го шара достигает, по-видимому, примерно 13 мил­ лионов градусов. При этой температуре ядра ато­ мов водорода— протоны — приобретают столь зна­ чительные скорости, что в состоянии преодолевать взаимное отталкивание и сближаться на расстоя­ ния, при которых между ними начинают действовать ядерные силы. В результате возбуждается цепочка ядерных превращений, в конце которой образуются ядра гелия. В ходе этой цепочки выделяется очень значительная энергия, испускаемая Солнцем частич­ но в виде света и тепла.

■Как мы уже упоминали, в земных условиях про­ тонно-протонный цикл не имеет места, хотя прото­ нов сколько угодно: на Земле нигде нет таких ги­ гантских температур, при которых этот цикл мог бы начаться. Искусственно возбудить протонно-про­ тонный цикл — дело нереальное. Очень трудно про­ исходит превращение протона в нейтрон.

Здесь надо поступать иначе. На Земле есть и яд­ ра тяжелого водорода — дейтерия, которые уже со­ держат нейтроны. Дейтронов примерно в пять тыся раз меньше, чем протонов: такова доля содержа-

71

ния тяжелой воды в обыч­ ной. Есть также ядра сверхтяжелого водоро­ да — трития. Но их ма­ ло, содержание трития в обычной воде совершенно ничтожно (правда, уче­ ные нашли эффективный способ получать его ис­ кусственно из довольно распространенного эле­ мента лития). Общее ко­

личество дейтерия в океанах составляет 5 • 1013 тонн, и в нем содержится энергии 1020 квт. лет. В литре обычной воды содержится столько же термоядер­ ной энергии, сколько химической энергии в 300 лит­ рах бензина.

Термоядерный синтез в земных (условиях может протекать с помощью следующих реакций. Дейте­ рий, соединяясь с тритием, opa3iy образует обычный

гелий, причем в каждом акте синтеза гелиевого яд­ ра выбрасывается один лишний «в постройке» ней­ трон. Этот нейтрон, если он обнаруживается при ра­ зогреве смеси дейтерия и трития до надлежащих температур, должен с большой вероятностью ука­ зывать на начало термоядерной реакции, при ко­ торой выделяется колоссальная энергия.

Но реакция синтеза ядер дейтерия и трития в ядра гелия идет лишь при высоких температурах, начиная с нескольких миллионов градусов. Но лишь при температурах больше 30 миллионов градусов выход термоядерной энергии превысил бы потери на рентгеновское излучение, о котором речь шла выше. Реакция синтеза дейтерия с дейтерием ста­ новится энергетически выгодной при температуре

72

НАСТУПЛЕНИЕ НА ПЛАЗМУ

НЕПОДАТЛИВАЯ ПЛАЗМА

Вспомним, что со значительными трудностями ученым пришлось столкнуться уже при попытках напреть плазму хот^ бы до десятков тысяч граду­ сов. А у нас речь идет о десятках и даже сотнях миллионов градусов!

Мы видели выше, рассказывая о вольтовой дуге, что при нагревании плазма два раза «отказыва­ лась» повышать свою температуру. В первый раз это случилось, когда скорость поступления тепла в плазму сравнялась со скоростью его ускользания через стенки .камеры, в которую была заключена плазма. Это затруднение удалось преодолеть, теп-

74

лоизолируя .от плазмы стенки камеры. Второй раз рост температуры плазмы приостановился, когда в ней началось очень интенсивное свечение. При этом львиная доля энергии, вновь подводимой к плазме, уходила пе на ее нагрев, а на лучеиспускание.

О теплоизоляции стенок камеры мы поговорим позже. Здесь скажем лишь, что при температурах в миллионы градусов задача «переворачивается»: .не­ обходимо скорее изолировать не стенки от плаз­ мы, а плазму от стенок, а это не совсем одно и то же.

Пока поставим вопрос: как уменьшить лучеис­ пускание плазмы? Мы уже видели, что никакие зер­ кала тут не помогут. Более того, при миллионогра­ дусных температурах плазма лишь слабосветится видимым светом, но зато испускает сильные рент­ геновские лучи, дл.я которых вообще не существует никаких зеркал. Можно было бы для уменьшения

тем слабее ее излучение. Вместе с тем уменьшается число электронов в плазме, а также и число ядер, на которых они могли -бы тормозиться, испуская при этом тормозное рентгеновское излучение. Одна­ ко при этом уменьшился бы выход термоядерной энергии, который так же зависит от плотности плаз­ мы, как энергия лучеиспускания. Единственная воз­ можность — это настолько повысить температуру плаз-мы, чтобы выход термоядерной энергии превы­ шал потери на лучеиспускание.

До какой же температуры нужно нагреть плаз­ му?

Для наиболее выгодного «горения» термоядер­ ной дейтериевой плазмы, когда количество выраба­

75

тываемой в ней полезной энергии превышает коли­ чество лучеиопускаемой энергии, в нашем случае нужны температуры более 300 миллионов граду­ сов. Для упоминавшейся выше термоядерной смеси из дейтерия и трития эта температура составляет около 30 миллионов градусов.

Как же разогреть плазму до таких гигантских температур? Здесь есть две возможности. Первая из них — разопревать плазму не спеша, постепенно подводя в нее энергию в количествах, все время превышающих уход энергии из плазмы. Это путь исключительно трудный дл'я сегодняшней техники: ведь речь идет о больших температурах для неболь­ ших объемов плазмы, которые, вдобавок, нужно не­ пременно поддерживать в течение достаточно-о времени, несмотря на большие потери энергии. Но есть и другой путь. В плазму можно ввести энер­ гию почти «взрывом», во много раз быстрее, чем она уходит из плазмы. Именно на этом принципе и основана водородная бомба: нагрев смеси, необхо­ димый для возбуждения в веществе термоядерных реакций, в ней достигается взрывом атомной бом­ бы, расположенной в центре термоядерного заряда. При этом, конечно, тепло очень быстро уходит че­ рез стенки бомбы — термоядерный заряд от них не изолирован, — но скорость поступления энергии в этот заряд настолько велика, что даже за тот нич­ тожный срок после атомного взрыва, пока стенки бомбы еще держатся, эта энергия успевает поднять температуру главного заряда до того уровня, когда этот заряд срабатывает.

Чему же отвести роль атомной бомбы в мирном развязывании реакций синтеза в плазме? Один из ответов подсказывает — молнии: надо воспользо­ ваться мощной электрической искрой, которая за

76

ничтожное время своего существования передаст свое энергетическое богатство плазме и разогреет ее до высоких температур. Именно с искры и нача­ ла свою историю термоядерная энергетика.

Однако хотя этот быстрый способ нагрева и по­ зволяет получить горячую плазму для исследования ее свойств, но он не дает возможности из-за малой длительности искры возбудить реакцию термоядер­ ного-синтеза в массе плазмы.

Наконец, еще одно важное обстоятельство. Для термоядерного горючего исключительно важно, что­ бы в нем не присутствовали даже ничтожные при­ меси тяжелых атомных ядер. Эти ядра и при та­ ких температурах, при которых ядра дейтерия и трития уже «оголены», все еще не снимают полно­ стью своих электронных «одежд». Значит, при воз­ буждении термоядерных реакций в плазме значи­ тельная доля энергии уйдет на бесполезное «раз­ девание» тяжелых ядер; кроме того, торможение электронов при столкновениях е тяжелыми ядрами гораздо более значительно по сравнению с тем, ко­ торое происходит на легких ядрах термоядерной смеси, а значит, увеличиваются потери энергии плазмой за счет более интенсивного испускания рентгеновских лучей. Присутствие лишь одного уранового ядра на тысячу ядер термоядерной сме­ си уже снижает их температуру в два с половиной раза. Нельзя допустить, чтобы энергия тратилась впустую в самой же плазме.

СТЕНКА, КОТОРУЮ НЕ УВИДЕТЬ И НЕ ВЗВЕСИТЬ

Первая задача, которая требует решения при миллионоградусном нагреве вещества, заключает­ ся в том, как изолировать стенки разрядной каме-

77

,ры. Правда, количество тепла, выделяющегося в достаточно разреженной плазме даже при таких температурах, не расплавит стенок камеры: тепло­ вой энергии, заключенной .в литре плазмы, разре­ женной до давления в одну тысячную долю атмос­ феры при ее нагреве до нескольких сот миллионов градусов, еле хватит, чтобы вскипятить стакан во­ ды. Здесь важно не то, что плазма нагревает стен­ ки, а то, что стенки охлаждают плазму.

В плазме, как мы уже знаем, действуют силы — электрические и магнитные. Тот порядок, который вносит в плазму одно электрическое поле, нас, одна­ ко, никак устроить не может. Ведь оно не в состоя­ нии ограничить разбегание частиц плазмы.

Но есть еще магнитное поле. Оно тоже упорядо­ чивает движение заряженных частиц. Введем в плазму, заключенную в цилиндрическую камеру, проводник с током, расположенный вдоль ее оси. Уже давно известно, что вокруг такого проводника возникает магнитное поле, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности. Частицы плазмы, будучи заряженными, начнут вра­ щаться в магнитном поле.

Теперь вдумаемся на минуту в слова: «из каме­ ры выделяется тепло». Что это означает? Очевидно, то, что частицы плазмы передают свою температу­ ру стенкам, вернее, частицам, из которых состоят стенки камеры. Физика учит, что эта передача мо­ жет произойти лишь при прямом ударе частицы плазмы по частицам стенки, в результате которого частица плазмы снизит свою скорость (то есть тем­ пературу), а за счет этого частицы стенки повысят скорости (и температуру). Значит, изоляция плаз­ мы от стенок должна сводиться к тому, чтобы не допустить ударов частиц плазмы в стенки камеры.

78

Легко видеть, что это как раз и должно делать магнитное поле, приложенное к плазме. Закручивая пути частиц плазмы, оно не должно позволить им подойти к стенкам камеры; более того, как мы уви­ дим дальше, при этом частицы удаляются от сте­ нок внутрь камеры. В результате стенки остаются холодными даже в самой горячей плазме. Нужно лишь, чтобы магнитное поле было достаточно ве­ лико и могло справиться с самыми энергичными ча­ стицами плазмы.

Магнитное поле, приложенное к плазме, и есть та невидимая и невесомая стенка, которая изолиру­ ет плазму от стенок камеры надежнее самого хо­ рошего теплоизолирующего вещества.

Как же создать достаточно сильное магнитное поле, которое бы справилось с плазмой? Советские ученые академики И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров пред­ ложили использовать для этой цели то же самое «орудие», которое нужно было применить и для ра­ зогрева плазмы до сверхвысокой температуры — электрическую искру.

МОЛНИЯ В БАНКЕ

Но эта электрическая искра должна была быть совершенно необычной. Токи и напряжения в ней, необходимые для миллионоградусного разогрева плазмы, исключительно велики. Самые мощные электростанции сегодня имеют мощности около двух миллионов киловатт. Для разогрева плазмы до упомянутых температур требуются десятки и сот­ ни миллионов киловатт. Но электростанции работа­ ют непрерывно, тогда как в плазме мощность долж­ на реализоваться за тысячные доли секунды. В бу­ дущем это время должно дорасти до нескольких

79