Проблемы управления термоядерным синтезом

Очень важная особенность работ по управляемому термоядерному синтезу, ты, что любой проект, независимо от предлагаемого способа удержания плазмы, сегодня оценивается в миллиарды долларов. Установки небольших размеров и меньшей стоимости уже давно себя исчерпали. Во всем мире над проблемой синтеза работают почти 100 тысяч человек, поиском решения занимаются крупнейшие ученые, опытные инженеры и конструкторы. Говорить о том, что в ходе решения были допущены какие-то ошибки, нет абсолютно никаких оснований. И в результате многолетних исследований вся эта армия ученых приходит к однозначному выводу: решение проблемы управляемого синтеза возможно только путем увеличения размеров установок при астрономических затратах на их построение.  

Можно привести весьма любопытный пример вполне реального проекта решения задачи. Предлагается огромный, объемом несколько кубических километров, стальной котел наполовину заполнить водой и греть ее взрывами термоядерных зарядов. Не будем брать на себя смелость оценивать целесообразность и экологические последствия реализации подобного проекта. Просто данный пример достаточно наглядно показывает масштабы поисков альтернативных способов использования термоядерной энергии.  

В настоящее  время взгляды на управляемый  термоядерный синтез весьма противоречивы. С одной стороны, он практически не имеет равнозначной альтернативы, на решение проблемы уже затрачены огромные средства и отступать нельзя. С другой - каждый новый шаг дается путем все больших и больших затрат. Многим странам пришлось отказаться от продолжения исследований ввиду их чрезвычайной дороговизны. Даже самые горячие оптимисты ожидают, что задача может быть решена не раньше середины следующего столетия. Но к тому времени на Земле будут сожжены почти все запасы нефти и газа и, следовательно, человечество ожидает жесточайший сырьевой кризис. А если решение все же не будет найдено?... 

Но действительно  ли перспективы столь мрачны и  человечеству, чтобы избежать их, необходимо идти на баснословные затраты. Может  быть, есть более дешевое и доступное  решение?  

Такой путь есть. И природа уже неоднократно его подсказывала. Еще на заре термоядерных исследований был обнаружен так называемый "пинч-эффект" - сжатие плазменного столба магнитным полем тока разряда. Эффект вызывал выброс нейтронов, служащий признаком реакции синтеза. Было много восторгов, ожидалось быстрое решение проблемы синтеза. Очень эмоционально этот момент обыгран в известном фильме того времени "Девять дней одного года". Но восторги быстро сменились разочарованием: выяснилось, что источником нейтронного выброса была не реакция по всему объему столба плазмы, а небольшие группы быстрых дейтронов (ядер дейтерия). При ускорении электрическими полями, возникающими в плазме при сильных неустойчивостях, дейтроны получали энергию, существенно превышавшую энергию остальных частиц плазмы, и вступали в реакцию синтеза с выходом нейтронов. Такой "отрыв от коллектива" физикам очень не понравился, полученные нейтроны были названы "ложными", и от этого направления поисков отказались. Но ведь реакция синтеза шла!

Еще пример из недавнего прошлого. Многим хорошо запомнилось сенсационное сообщение  о "холодном термояде". Однако достаточно быстро выяснилось, что обнаруженный М. Флейшманом и С. Понсом и независимо от них С. Джоунсом эффект очень слаб и не может быть использован для получения энергии. Наиболее вероятное объяснение обнаруженного эффекта - так называемая "ускорительная модель": реакция синтеза происходит в результате ускорения дейтронов сильным электрическим полем, возникающим при растрескивании палладия. Опять ускоренные дейтроны!  

Первая  реакция ядерного синтеза была проведена  путем бомбардировки ядер азота  быстрыми a-частицами. Ядра же трансурановых  элементов получали путем бомбардировки ядер известных элементов ускоренными частицами.  

Путь  проведения ядерных реакций на ускорителях совершенно естественен и ни у кого не вызывает сомнений. Уровень энергий ускоренных протонов измеряется уже сотнями гигаэлектронвольт. Для такой техники реакция синтеза дейтерий - тритий или дейтерий - дейтерий с энергией кулоновского барьера 10 кэВ никакой сложности не представляет. Тем не менее возможность осуществления реакции ядерного синтеза путем использования столкновений ускоренных ядер дейтерия и трития до сих пор не исследовалась. И для этого есть весьма существенные основания.  

Дело  в том, что главная цель термоядерных исследований - получение интенсивной  реакции с выделением большого количества энергии, а в ускорителях ядерные  реакции происходят практически  поштучно. Здесь главное не количество актов реакции, а сам факт ее прохождения. Малая интенсивность ядерных реакций в ускорителях определяется тем, что количество частиц в ускоряемом пучке сравнительно невелико и соответственно их концентрация мала. Конечно, прямое использование современной ускорительной техники для решения проблемы управляемого синтеза бессмысленно. Для нее задача повышения концентрации частиц в пучке ставится, но не как основная; здесь главная задача - достичь максимальной энергии частиц.  

Попробуем попытаться сформулировать задачу несколько иначе? Разработать и создать ускоритель на встречных пучках на энергию ускоряемых ионов дейтерия и трития (дейтронов, тритонов) в несколько сот килоэлектронвольт, когда реакция синтеза уже наверняка пойдет, и при плотности частиц в пучке 1014 см-3, когда ее интенсивность будет достаточно велика для практического использования. При современном развитии науки и техники такая задача может быть достаточно быстро решена на ускорителе небольших размеров. Как показывают расчеты, для получения требуемой плотности ионов величина тока в ускорителе должна составлять несколько десятков ампер. Существующие сегодня сильноточные ускорители ионов позволяют получать токи до 106 А при энергии ионов до 106 эВ. Остается задача удержания пучков с такими параметрами. Но и эта задача имеет решение. В современных ускорителях на встречных пучках время удержания измеряется часами! Можно также попытаться построить реактор, в котором столкновения пучков будут носить импульсно-периодический характер. Само столкновение пучков в этом случае будет иметь длительность порядка 10-7-10-8 секунды, и "удерживать" их потребуется только в течение этого времени. Столкновения могут повторяться с частотой 107-108 Гц, что будет означать практически непрерывное горение реакции.

Важнейшее отличие метода встречных пучков от магнитного удержания в том, что размер ускорителя не играет принципиальной роли для достижения условий синтеза. Минимальный размер экспериментальной установки будет определяться только размерами источника ионов с требуемой энергией. А они невелики: источник ионов на несколько сот килоэлектронвольт, применяемый в промышленности (например, для ионной имплантации полупроводников), занимает площадь не более 10 м2 и стоит несколько тысяч долларов. В "нулевом" эксперименте по ядерному синтезу размеры коллайдера (объема, где сталкиваются пучки) могут быть очень малы. Например, при его длине 2 см и диаметре 0,4 см ожидается выделение 25 Вт тепла, то есть удельная мощность установки оказывается 108 Вт/м3 (примерно как у двигателя внутреннего сгорания). Достижение таких параметров и будет означать физическое решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Получение требуемых мощностей - вопрос уже чисто технический. Рабочий объем реактора, скажем, может содержать необходимое количество коллайдеров -"термоядерных ТВЭЛов", тепловыделяющих элементов.  

Подобные  предложения неоднократно высказывались  в научной литературе, однако до исследований, к сожалению, дело так  и не дошло. Между тем они предполагают простую экспериментальную проверку, причем на небольшом и недорогом лабораторном стенде.

Многие  физико-технические проблемы такого эксперимента уже решены. Оценки показывают, что затраты на проведение работ  будут в 10-20 тысяч раз меньше, чем  на любые другие исследования в этой области. А в случае удачи открывается возможность несравненно более простого решения проблемы управляемого термоядерного синтеза, чем это обещают все те направления, которые разрабатываются в настоящее время. 

Идею  термоядерного синтеза предложил  сержант срочной службы, Олег Александрович Лаврентьев. 

В 1950 году Лаврентьев впервые в мире сформулировал задачу использования управляемого термоядерного синтеза для мирной энергетики и разработал конструкцию первого реактора. Тогда 24-летний Лаврентьев предложил и оригинальную конструкцию водородной бомбы. 

Родился Олег Лаврентьев в 1926 году в Пскове. Прочитав в 7-м классе книгу "Введение в ядерную физику", он загорелся мечтой работать в области ядерной энергетики. Но началась война, оккупация, а когда немцев прогнали, Олег пошел добровольцем на фронт. Победу юноша встретил в Прибалтике, однако учебу опять пришлось отложить - нужно было продолжить срочную службу на Сахалине, в небольшом городке Поронайске.  

Здесь он вернулся к ядерной физике. В  части была библиотека с технической  литературой и вузовскими учебниками, да еще Олег на свое сержантское денежное довольствие подписался на журнал "Успехи физических наук". Идея водородной бомбы и управляемого термоядерного синтеза впервые зародилась у него в 1948 году, когда командование части, отличавшее способного сержанта, поручило ему подготовить лекцию по атомной проблеме.  

Имея  несколько свободных дней на подготовку, Лаврентьев заново переосмыслил весь накопленный материал и нашел  решение вопросов, над которыми бился  не один год. Кому и как об этом сообщить? В только что освобожденном от японцев Сахалине нет специалистов. Солдат пишет письмо в ЦК ВКП (б), и вскоре командование части получает из Москвы предписание создать Лаврентьеву условия для работы. Ему выделяют охраняемую комнату, где он пишет свои первые статьи. В июле 1950 года он отсылает их секретной почтой в отдел тяжелого машиностроения ЦК.  

Сахалинская работа состояла из двух частей - военной  и мирной.  

В первой части Лаврентьев описал принцип  действия водородной бомбы, где в качестве горючего использовался твердый дейтерий лития. Во второй части он предложил использовать управляемый термоядерный синтез для производства электроэнергии. Цепная реакция синтеза легких элементов должна идти здесь не по взрывному типу, как в бомбе, а медленно и регулируемо. Опередив и отечественных, и зарубежных ядерщиков, Олег Лаврентьев решил главный вопрос - как изолировать разогретую до сотен миллионов градусов плазму от стенок реактора. Он предложил на тот момент революционное решение - в качестве оболочки для плазмы использовать силовое поле, до этого в первом варианте он предлагал использовать – электрическое поле. 

Олег  не знал, что его послание сразу  же было направлено на рецензию тогда  кандидату наук, а впоследствии академику  и трижды Герою Социалистического Труда А.Д. Сахарову, который так отозвался об идее управляемого термоядерного синтеза: "... Я считаю необходимым детальное обсуждение проекта тов. Лаврентьева. Независимо от результатов обсуждения необходимо уже сейчас отметить творческую инициативу автора".  

В этом же 1950 году Лаврентьева демобилизуют. Он приезжает в Москву, успешно  сдает вступительные экзамены и  поступает на физический факультет  МГУ. Спустя несколько месяцев его  вызвал к себе министр измерительного приборостроения В.А. Махнев - так в царстве секретности называлось тогда Министерство атомной промышленности, соответственно, Институт атомной энергии назывался Лабораторией измерительных приборов АН СССР, то есть ЛИПАНом. У министра Лаврентьев впервые встретился с Сахаровым и узнал, что Андрей Дмитриевич читал его сахалинскую работу, но поговорить им удалось только через несколько дней, опять ночью. Это было в Кремле, в кабинете Лаврентия Берии, который был тогда членом Политбюро, председателем спецкомитета, ведавшего в СССР разработкой атомного и водородного оружия.  

Тогда он услышал от Андрея Дмитриевича  много теплых слов. Он заверил Лаврентьева, что теперь все будет хорошо, и  предложил работать вместе. Лаврентьев согласился на предложение Андрея Дмитриевича.  

Лаврентьев и не подозревал, что его идея управляемого термоядерного синтеза (УТС) так понравилась А.Д. Сахарову, что он решил ее использовать и вместе с И.Е. Таммом тоже начал работать над проблемой УТС. Правда, в их варианте реактора плазму удерживало не электрическое, а магнитное поле. Впоследствии это направление вылилось в реакторы под названием "токамак".  

После встреч в "высоких кабинетах" жизнь  Лаврентьева изменилась как в  сказке. Ему дали комнату в новом  доме, дали повышенную стипендию, доставляли по требованию необходимую научную литературу. Он взял разрешение на свободное посещение занятий. К нему прикрепили преподавателя математики, тогда кандидата наук, а впоследствии академика, Героя Социалистического Труда А.А. Самарского.

В мае 1951 года Сталин подписал постановление Совета Министров, положившее начало Государственной программе термоядерных исследований. Олег получил допуск в ЛИПАН, где приобретал опыт работы в области нарождающейся физики высокотемпературной плазмы и одновременно постигал правила работы под грифом "Сов. секретно". В ЛИПАНе Лаврентьев впервые узнал об идеях Сахарова и Тамма по термоядерному реактору.