Современная ядерная энергетика основана на использовании реакции деления ядер тяжелых атомов. При этом суммарная масса осколков деления оказывается меньше массы исходного ядра на некоторую величину ∆m. Эта разность масс в соответствии с формулой Эйнштейна [см. (4.1)} превращается в энергию.
Если заставить делиться ядра с меньшими атомными номерами, чем уран, то убыль массы, а значит, и освобождение энергии на каждый акт деления, будет меньшим. Примерно посередине периодической системы находятся элементы, при делении ядер которых выход энергии равен нулю. Деление ядер элементов с еще меньшими атомными номерами уже не только не сопровождается выделением энергии, а требует затрат энергии. Это означает, что, наоборот, при объединении, синтезе легких ядер в более тяжелое ядро элемента, находящегося в начале периодической системы, будет освобождаться энергия, которая может быть полезно использована. Именно на этом основана идея термоядерного синтеза.
По принятым представлениям, источником энергии Солнца и других звезд является термоядерная реакция синтеза водородных ядер, протекающая в их недрах. Такая реакция дает наибольшую энергию в расчете на единицу массы участвующих ядер, однако сегодня ученые считают, что эту реакцию в земных условиях осуществить не удастся. Расчеты показывают, что, возможно, удастся осуществить термоядерный синтез на ядрах изотопа водорода — дейтерия. Но первая термоядерная реакция, осуществленная людьми в так называемой водородной бомбе, представляла собой реакцию дейтерия с тритием:
Эта запись означает, что при соединении ядра дейтерия с атомной массой 2 с ядром самого тяжелого изотопа водорода — трития с атомной массой 3 образуется ядро гелия с атомной массой 4, один нейтрон, и на каждое образовавшееся ядро гелия освобождается энергия, равная 17,6 МэВ, или примерно 3-10-12 Дж. Около 80% этой энергии приходится на кинетическую энергию нейтрона, образующегося при реакции, а 20% —на кинетическую энергию возникающего ядра гелия.
Осуществимость термоядерной реакции сегодня не вызывает сомнений. Но задача состоит в том, чтобы реализовать ее не в водородной бомбе, где она может принести только колоссальные разрушения, а в специальном реакторе, где энергия будет выделяться не в доли секунды, а с таким темпом, который позволит управлять реакцией, преобразовывать ее энергию в нужные нам формы. Иными словами, стоит задача осуществления управляемого термоядерного синтеза. Над этой задачей крупнейшие лаборатории мира работают уже не одно десятилетие, но успех пока еще нигде не достигнут.
В чем же трудность осуществления термоядерной реакции? Дело в том, что ядерные силы, которые способны объединить два ядра в одно новое действуют на очень малых расстояниях. В то же время на значительно больших расстояниях между ядрами, заряженными положительно, действуют отталкивающие кулоновские силы. Эти силы обратно пропорциональны квадрату расстояния между ядрами и, тем самым, резко нарастают по мере их сближения. Для того чтобы сталкивающиеся ядра могли преодолеть кулоновский барьер и сблизиться настолько, чтобы попасть в область действия стягивающих ядерных сил, они должны лететь навстречу друг другу с очень большой скоростью. В термоядерных устройствах эти большие скорости создаются за счет того, что смесь ядер, которые должны вступить в реакцию, нагревают до очень высоких температур. Расчеты показывают, что для реакции соединения дейтерия с дейтерием газ нужно разогреть до сотен миллионов градусов, а для реакции соединения дейтерия с тритием (D—Т) — «всего лишь» примерно до 100 млн. градусов. Вот почему в качестве первого шага предполагается осуществить именно последнюю реакцию.
Нагрев газа, а точнее плазмы, потому что при этих температурах атомы дейтерия и трития полностью лишатся своих электронов и превратятся в ионы, до такой высокой температуры представляет собой исключительно сложную инженерно-физическую задачу. Причем сложности связаны как с собственно нагревом плазмы до этих температур, так и с сохранением этой плазмы в некотором сосуде.
Сегодня наиболее продвинутыми системами, в которых, предположительно, раньше всего удастся осуществить управляемую термоядерную реакцию, являются впервые предложенные академиком Л. А. Арцимовичем системы типа токамак.
В этих системах смесь дейтерия с тритием помещается в тороидальной камере при достаточно низком давлении. Нагрев этой смеси до высокой температуры производится индукционным способом. Дейтерий-тритиевая плазма в тороидальной камере представляет собой короткозамкнутый виток, в котором от индуктора возбуждается очень большой ток — в несколько сотен килоампер. За счет джоулевых потерь, сопровождающих протекание этого тока, плазма разогревается до очень высоких температур.
Ясно, что стенка камеры, из какого бы материала она ни была сделана, не может выдержать температуры в десятки миллионов градусов. Поэтому в установке токамак используется магнитная изоляция плазмы. С помощью сильного магнитного поля, создаваемого специальной сверхпроводящей магнитной системой, расположенной снаружи камеры, плазменный шнур отжимается к оси камеры, стабилизируется и удерживается от контактов со стенкой.
Но даже и в условиях магнитной изоляции не удается сколько-нибудь продолжительно удержать плазму с соответствующей температурой. Для того чтобы термоядерная реакция могла произойти, необходимые условия в плазме должны существовать в течение некоторого минимального времени. Более подробное рассмотрение показывает, что для осуществления термоядерной реакции должен выполняться критерий Лоусона:
где п — концентрация атомов в 1 см3; τ — время удержания плазмы с необходимой температурой, с.
Так как концентрация в условиях токамаков составляет около 1014 1/см3, то для удовлетворения критерия Лоусона время удержания должно составлять более 1 с.
В настоящее время в различных странах существует большое число лабораторных установок, построенных по принципу токамаков. Наиболее крупные экспериментальные установки уже достаточно близко подошли к порогу, устанавливаемому критерием Лоусона. Так, в советском токамаке Т-10, недавно пущенном в эксплуатацию, достигнуты температуры 7—8 млн. градусов при плотности плазмы около 1014 1/см3 и при времени удержания 0,05—0,06 с. Аналогичные параметры имеет американская установка PLT. Из приведенных цифр ясно, что для осуществления термоядерной реакции необходимо дальнейшее повышение температуры. Однако, по-видимому, используемый ныне индукционный нагрев плазмы себя уже практически исчерпал, ибо при больших температурах проводимость плазмы настолько возрастает, что джоулевых потерь становится недостаточно для дальнейшего повышения температуры плазмы. Во французской установке TFR и американской ORMAK удалось поднять температуру плазмы до 20 млн. градусов за счет впрыскивания в плазму разогнанных в специальном ускорителе до больших скоростей нейтральных частиц.
Еще в ранних работах по термоядерному синтезу было показано, что достижимые параметры плазмы, и особенно время удержания плазмы, растут с ростом геометрических размеров камеры токамака. Это подтвердилось всем опытом сооружения экспериментальных установок. За 20 лет, в течение которых в мире создаются тороидальные установки, их размеры и достигаемые на них параметры неуклонно растут, что видно из табл. 7.1, заимствованной из доклада Дж. Филлипса на уже упоминавшейся X Мировой энергетической конференции в Стамбуле.
Таблица 7.1
Характеристики тороидальных установок
Есть основание полагать, что в создаваемых в настоящее время в СССР, Японии и США установках необходимые параметры плазмы (τ=1 с, Т=108 К; nτ=1014) будут достигнуты.
Существуют и другие установки с магнитным удержанием плазмы, в которых используются другие конфигурации магнитного поля (магнитные ловушки), но наибольший прогресс сегодня достигнут на тороидальных камерах.
Наряду с магнитным удержанием плазмы интенсивно разрабатывается еще одно направление для осуществления управляемой термоядерной реакции, которое по мнению специалистов-физиков, также является весьма перспективным. Речь идет об инерциальном удержании плазмы, при котором нагрев дейтерий-тритиевой смеси осуществляется на совсем других основаниях. Идея метода состоит в том, чтобы осуществить термоядерную реакцию в серии следующих друг за другом термоядерных микровзрывов, интенсивность и частота следования которых должны быть подобраны так, чтобы выделяемую при этом энергию можно было бы отводить без нарушения целостности конструкции. Собственно взрыв должен происходить в частице (ее обычно называют мишенью), состоящей из смеси дейтерия с тритием, причем, естественно, условия в мишени должны быть такими, чтобы выполнялся критерий Лоусона, т. е. скорость разлета мишени при ее взрыве можно допустить лишь такую, чтобы по-прежнему выполнялось условие nτ>1014. В системах с инерциальным удержанием это условие достигается за счет значительно больших, чем в токамаках, плотностей п.
Большая плотность обеспечивается тем, что мишень предполагается твердой, кроме того, для осуществления взрыва она подвергается предварительно интенсивному нагреву и сжатию.
Если твердый шарик со всех сторон равномерно по его поверхности облучить мощным потоком лазерного излучения или пучком разогнанных до очень больших скоростей электронов, то, как показывают теоретические расчеты и выполненные эксперименты, с ним произойдет ряд сложных превращений. Интенсивное выделение энергии на поверхности шарика вызовет мгновенное испарение материала его поверхности, который в виде пара начнет с большими скоростями разлетаться во все стороны от шарика. Оставшиеся внутренние слои шарика за счет сил отдачи сожмутся в сотни и даже тысячи раз, а часть энергии падающего излучения, проникая внутрь за счет теплопроводности, нагреет сердцевину шарика до очень высоких температур. Так, по замыслу, в центре шарика должны возникнуть параметры, необходимые для прохождения термоядерной реакции.
Возможная схема энергетической установки, использующая идею термоядерных микровзрывов, например с лазерным инициированием, сводится к следующему. Внутрь сферического сосуда радиусом несколько метров вводится мишень — шарик из смеси твердых дейтерия и трития диаметром в 1—2 мм. Когда этот шарик оказывается в центре сферического сосуда, в него «выстреливают» импульсом лазерного излучения. Этот импульс должен быть введен через 8 или 12 окон на поверхности сферы так, чтобы 8—12 лазерных лучей были сфокусированы равномерно на поверхность мишени. К лазерному импульсу предъявляются очень жесткие требования. Расчеты показывают, что для осуществления термоядерной реакции в дейтерий-тритиевой мишени энергия лазерного импульса должна составлять не менее 100 тыс. Дж, а длительность импульса должна быть не больше нескольких наносекунд*. Таким образом, мощность лазерного импульса должна достигать огромной цифры — 1014 Вт. Такие требования к импульсу понятны, ибо необходимо ввести всю необходимую энергию в мишень за возможно более короткое время, при более растянутом импульсе мишень просто вся испарится без осуществления термоядерной реакции.
Сегодня во многих странах мира создаются установки для лазерного и электронного облучения мишени. К крупнейшим лазерным установкам относятся установка «Дельфин» в Советском Союзе, «Шива» в США, «Секко XII» в Японии.
На экспериментальных лазерных установках и на установках с электронными пучками уже получены степени сжатия мишени, близкие к расчетным. Сегодня не видно причин, по которым на установках большого масштаба нельзя будет достичь условий, необходимых для термоядерного микровзрыва мишени. Однако от физической демонстрации осуществимости управляемой термоядерной реакции (в системах с магнитным или инерциальным удержанием) до создания термоядерных энергетических установок еще огромная дистанция. Необходимо осуществить либо непрерывную, либо периодически повторяющуюся реакцию, необходимо добиться того, чтобы выход энергии от реакции был во всяком случае· в несколько раз больше, чем та энергия, которая вкладывается для ее инициирования. Выше уже говорилось, что для взрыва одной мишени необходима лазерная энергия в 100 тыс. Дж. Но сам лазер требует для своего возбуждения электро- или световой энергии, причем к. п. д. лазера, т. е. отношение энергии лазерного излучения к энергии, подведенной для его возбуждения, составляет в случае стеклянных лазеров доли процента, а в случае газовых СО2-лазеров — единицы процентов.. Это означает, что к лазеру должна быть подведена энергия, в 100 раз большая, чем та, которую он излучает. Кроме того, при обычных методах электро- или световая энергия может быть получена из теплоты с к. п. д. не более 30%, что означает, что теплоты для запитки лазера надо использовать в 300 раз больше, чем та энергия, которую он излучает в виде лазерного импульса. Следовательно, если при взрыве мишени количество выделившейся энергии будет менее чем в 300 раз превосходить энергию лазерного излучения, то такая установка не только не сможет отдавать энергию во вне, но должна будет подпитываться от внешнего источника энергии.
* 1 наносекунда — это одна миллиардная доля секунды.
Серьезную проблему представляет собой устройство- системы преобразования энергии термоядерной реакции в электроэнергию. Как уже говорилось, освобождающаяся при реакции D—Т энергия распределена следующим образом: 80% сосредоточено в кинетической энергии очень быстрых (с энергией 14,1 МэВ) нейтронов, а около 20% —в энергии образующихся ядер гелия (α-частиц). Некоторая часть энергии сосредоточена в жестком γ-излучении. Преобразование энергии от этих разнородных источников требует разных подходов и устройств, которые еще нуждаются в разработке.
Существует еще одна интересная концепция использования энергии, выделяемой при управляемой термоядерной реакции, основанная на том, что эта реакция является источником быстрых нейтронов. Во всех разработанных сегодня схемах термоядерных реакторов собственно рабочая камера реактора окружена слоем, называемым бланкетом, который призван тем или иным способом использовать энергию проникающих в него нейтронов. Если в бланкет поместить природный уран или даже уран, обедненный изотопом 235U (такой уран остается после процесса обогащения), то быстрые нейтроны будут превращать ядра 238U в ядра 239Рu. Таким образом, бланкет такого термоядерного реактора, называемого гибридным, будет служить реактором-размножителем и поставлять делящийся изотоп 239Рu для реакторов деления. Сегодня считается, что во всяком случае первые термоядерные реакторы будут сооружаться как гибридные.
Если говорить об установках типа токамак, то для них наряду с перечисленными проблемой является сооружение огромных сверхпроводящих магнитных систем с большими магнитными полями. Трудностью во всех схемах является создание стенки реактора, которая будет испытывать большие механические и тепловые воздействия, подвергаться действию интенсивных нейтронных потоков. Одним словом, на пути овладения термоядерной энергией наряду с физическими, предстоит решить еще множество инженерных проблем, из которых здесь упомянута лишь малая часть.
Наконец, необходимо сказать еще несколько слов о тритии, который на ближайшую перспективу считается необходимым участником реакции термоядерного синтеза. Тритий является неустойчивым изотопом водорода, самопроизвольно распадающимся с периодом полураспада 12 лет. Поэтому в природе тритий не существует. Для получения трития используется ядерная реакция 
т. е. тритий получается при захвате ядром изотопа лития с атомной массой 6 одного нейтрона, после чего он распадается на ядро трития и гелия.
Производство необходимого количества трития лучше всего организовать в самом термоядерном реакторе. С этой целью в бланкете реактора следует разместить слой металлического лития или каких-нибудь его соединений. Нейтроны, выходя из зоны реакции, будут проникать в слой лития и образовывать тритий, который затем должен тем или иным способом извлекаться и направляться в зону реакции.
Таким образом, если иметь в виду термоядерную реакцию D—Т, то для нее лимитирующим сырьем окажется литий, из которого должен производиться тритий. Несмотря на то, что в природном литии содержится всего 7,4% Li, мировые запасы его для осуществления реакции D — Т достаточно велики. Если же удастся осуществить термоядерную реакцию D—D, то это откроет перед человечеством поистине неисчерпаемый источник энергии. Дейтерий можно извлекать из обычной воды, где его содержание составляет 1/6500 по отношению к водороду. По расчетам дейтерий, содержащийся в мировом океане, с помощью реакции D—D мог бы дать энергии в сто миллионов раз больше, чем все запасы органического топлива.
Таким образом, освоение управляемой термоядерной реакции радикально изменит положение в энергетике. Проблема источника энергии на все обозримое будущее перестанет существовать. Перед энергетикой во весь рост станут новые проблемы и, прежде всего, проблема воздействия на окружающую среду, которую мы кратко рассмотрим в заключительном параграфе.
