МОЖНО ЛИ УКРОТИТЬ ВОДОРОДНУЮ БОМБУ?
ЕСЛИ БЫ РАЗМЕНЯТЬ НА «ГРОШИКИ».
Мы уже видели, что контролируемая цепная реакция — та, что происходит в ядерном реакторе, — это замедленный в миллионы и миллиарды раз взрыв атомной бомбы.
А как быть с водородной бомбой?
Нет спору, гигантский термоядерный взрыв — зрелище величественное и захватывающее. Но вряд ли найдется на Земле очень уж много случаев, когда мгновенное освобождение столь огромной энергии может быть использовано эффективным образом. Поэтому желательно замедлить реакцию синтеза, сделать ее управляемой.
Можно часами стоять, любуясь грозной красотой водопадов Виктория, Ниагара или Кивач, буйным течением дикой Ангары. Но, полюбовавшись вдосталь красотами природы, человеческий ум начинает тут же подсчитывать энергетические ресурсы воды и прикидывать, как бы перевести эти миллиарды киловатт-часов, растрачиваемые даром, в киловатт-часы электроэнергии, не нарушая при этом и природных красот водопада или реки.
Ядерную энергию, высвобождающуюся при соединении ядер легких элементов в ядра атомов гелия, человек научился эффективно получать пока, только производя взрыв атомной бомбы внутри устройства, называемого водородной бомбой и наполненного веществами, содержащими атомы изотопов водорода или других легких элементов. При этом высвобождается еще больше энергии, чем при взрыве атомной бомбы, но высвобождается мгновенно.
Создав водородную бомбу, честные ученые не могли, конечно, не задуматься и над такой сложнейшей задачей, как обуздать новую энергию, этого еще более дикого и норовистого коня XX века.
Не может быть, чтобы, открыв какое-то новое физическое явление, человек не научился им управлять! Раз можно надежно и прочно запереть в стены реактора и приручить атомную энергию, то можно найти управу и крепкие запоры и для новой, термоядерной энергии, которая пока еще кажется страшным диким зверем.
Что же препятствует этому?
Термоядерная реакция в том виде, в каком мы ее пока научились получать, может протекать только в условиях, когда смесь изотопов водорода нагревается до температуры в несколько сотен миллионов градусов и подвергается при этом давлению порядка миллиардов атмосфер. Создать на Земле эти условия, которые, видимо, постоянно существуют внутри Солнца и звезд, можно только на мгновение, длящееся в течение двух-трехмиллионных долей секунды в оболочке, внутри которой взрывается атомная бомба. Создать эти давления и температуры на сколько-нибудь длительное время человек пока не может.
Как же поступить?
Предположим, что со временем ученым удастся создать какие-то устройства, которые позволят уменьшить силу взрыва водородной бомбы, допустим, в 100 или 1000 раз. Этого все равно совершенно недостаточно.
Значит, оставаясь привязанной к атомной бомбе, ядерная энергия соединения водорода обречена еще долго быть «великаном», способным расколоть надвое целый горный хребет, уничтожить или создать в океане новый остров, но не умеющим сдвинуть даже на миллиметр, не уничтожив его, космический корабль, не способным зажечь даже лампочки от карманного фонаря?
Сравнительная сила взрыва атомной и водородной бомб.
Но теоретически, если бы в 1 мм3, наполненном атомами водорода, мы могли хотя бы на миллионную долю секунды создать давление и температуру, развиваемые при взрыве большой атомной бомбы, то термоядерная реакция синтеза все же произошла бы, и в этом небольшом объеме выделилось бы сравнительно небольшое количество энергии.
Продолжая эту мысль, вместо пространства в 1 мм3 мы могли бы взять 1/10, 1/100, 1/1000 долю его, то есть практически любое малое пространство, и тем самым довести количество получаемой от него термоядерной энергии до нужной нам величины. Разменять ее на «грошики»! Лишь бы мы могли создать нужные нам температуры (сотни миллионов градусов) и давления.
Есть ли пути получить их?
Сейчас нет, но можно с уверенностью считать, что в будущем, и, возможно, не таком уже далеком, это сделать удастся.
Откуда эта уверенность?
«КРИК» СТАЛКИВАЮЩИХСЯ ГАЛАКТИК
Астрономов и астрофизиков в течение долгого времени интересовало происхождение особых тонковолокнистых туманностей, состоящих из очень длинных, но относительно узких полос, напоминающих вуаль, одна из которых хорошо видна в созвездии Лебедя. Лишь в последнее время ученым удалось установить, что эти светящиеся полосы появляются в результате распространения в массе межгалактического газа (предполагается, что это сильно разреженный водород) особых ударных волн. Распространяясь с огромной скоростью, эти волны вызывают свечение газа, то есть излучение им электромагнитных волн видимого света, а также особенно мощных радиоволн.
Светящиеся полосы в созвездии Лебедя, возможно, появились в результате грандиозного, не передаваемого по масштабу космического явления — столкновения двух гигантских галактик. Столкновение двух газовых туманностей, принадлежащих этим галактикам, и вызвало появление в газе ударных волн, температура и давление в которых, видимо, несравненно превышают температуры и давления, развиваемые даже при взрыве водородной бомбы.
Можно ли перенести обстановку такого грандиозного космического явления на нашу крошечную Землю? Целиком, конечно, нельзя, но частично, видимо, можно. Ведь создаем же мы при взрыве атомной или водородной бомбы условия, существующие только в недрах Солнца и звезд.
В последние годы ученым удалось найти способы в земных условиях получать ударные волны в газах, при которых развивается пока еще «небольшая» температура — порядка нескольких миллионов градусов.
Подобные температуры пока что могут интересовать лишь астрономов да инженеров-астронавтов.
Однако эта область температур скрывает в себе весьма важные физические процессы, которые уже в ближайшем будущем могут представить несомненный интерес и для физиков.
Речь идет о трубчатой камере, в которой можно создавать ударные (взрывные) волны в газе, развивающие на короткое время огромные давления. Ее действие основано на известном факте, что при быстром сжатии газ нагревается. Когда же это давление нарастает с громадной скоростью, как это бывает в ударной волне, создаваемой при взрыве или движении самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, в тепло превращается уже значительно большая часть энергии движения газа. При скорости, превышающей в четыре раза скорость звука, носовая часть реактивного самолета нагрелась бы почти до 1000°, если бы она усиленно не охлаждалась. При скорости, превышающей скорость звука в 10 раз, ударная волна может нагреть газ до температуры выше 3000°, при 20-кратной скорости — до 6000°. Наконец, при скорости, в 620 раз превышающей скорость звука, температура достигает миллиона градусов!
Камера имеет форму трубы, разделенной тонкой медной перепонкой на две части. В одной из них сжигается смесь водорода с кислородом, благодаря чему создается высокое давление, растущее до тех пор, пока не разрывается перепонка, разделяющая трубу. Тогда в газе, заключенном во второй половине трубы, возникает ударная волна, скорость которой может в 20 и больше раз превышать скорость распространения звука.
В другой трубе такого типа газ взрывается мощным электрическим разрядом, что позволяет получить ударную волну, скорость которой уже в 34 раза больше звуковой.
О серьезных изменениях, которые претерпевают при этом атомы газа, свидетельствует ослепительно яркое свечение в тех местах, на которые приходится максимальная плотность сжатия газа в ударной волне.
Направленный в спектрограф пучок этого света позволяет определить температуру газа и давление в нем.
Трубчатая камера, в которой создаются ударные волны.
Представим теперь себе, что техника создания мощных ударных волн позволит получать в газообразном водороде мгновенные ударные волны, температура и давление которых будут приближаться к тому, что можно получать при взрыве атомной бомбы. Особых принципиальных препятствий к этому как будто бы нет. Заключенное в рабочей камере такой установки небольшое количество атомов изотопов водорода получит возможность соединиться в атомы гелия с выделением огромной энергии.
ПЛАЗМА — ЧЕТВЕРТОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
Наш повседневный жизненный опыт, ограниченный поверхностью сравнительно плотной и не слишком горячей планеты и ее ближайшего окружения, привел к убеждению, что любое вещество может существовать только в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Наиболее наглядно об этом можно судить по воде, могущей пребывать в виде льда, жидкости или пара.
Но если взять Вселенную в целом или хотя бы только нашу Галактику, картина получается совершенно иной. Материи во всех этих трех состояниях, вместе взятых, оказывается ничтожно мало — количество, которое, выражаясь языком химии, смело можно назвать «следами».
Вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии просто не может существовать ни в недрах невообразимо горячих звезд, ни в облаках светящегося водорода, который заполняет большую часть космического пространства. А на их долю приходятся почти все 100% вещества, заполняющего Вселенную.
Мы уже говорили, что неподвижной материи в природе не существует и существовать не может. А всякое беспорядочное движение молекул, атомов, атомных и ядерных частиц связано с температурой. Чем выше температура данного физического тела или вещества, тем быстрее и энергичнее это движение, а следовательно, и частота их столкновений.
Ну, а чем энергичнее и чаще эти столкновения, тем скорее начинают ослабевать, затем и рваться одна за другой связи, удерживающие молекулы в веществе, атомы — в молекулах, атомные частицы — в атоме, ядерные частицы — в ядре атома.
Первой разрушается кристаллическая решетка твердого тела — оно, за исключением некоторых органических веществ, сначала размягчается, затем плавится и превращается в жидкое тело.
Самое тугоплавкое твердое вещество превращается в жидкое при температуре не выше 3000—4000°.
Что происходит в газе при нагревании его до сверхвысокой температуры: а — атомы газообразного дейтерия, заключенного в разрядной трубке, под действием комнатной температуры движутся в самых различных направлениях; б — газообразный дейтерий нагрет до температуры 100 тысяч градусов; атомы его превратились в плазму, то есть лишились своих электронных оболочек; движущиеся с огромной скоростью ядра атомов и электроны непрерывно бомбардируют стенки трубки, передавая им свое тепло; в — к трубке приложено внешнее магнитное поле; движение частиц из прямолинейного превратилось в спиральное, плазма сжалась в тонкий шнур и оторвалась от стенок трубки; вследствие этого ее температура быстро возросла до миллионов градусов, а давление — до десятков миллиардов атмосфер.
Вода может существовать в жидком виде только до температуры 100°. Выше этого она превращается в пар. Но ее еще можно сохранить в жидком виде под огромным давлением. Но выше 2000° она, несмотря ни на какие чудовищные давления, в жидком виде существовать уже не может. Следовательно, выше этой температуры никаких видов водных реакций в природе не существует.
При температуре выше 4000—5000° рвутся последние связи внутри молекул, и вещество распадается на составляющие его атомы. А это означает прекращение всех обычных химических реакций.
Остается один лишь газ, но, правда, газ не обычный. Чтобы понять, что это будет такое, рассмотрим поведение какого-либо чистого газа при нагревании.
По мере повышения температуры движение его молекул становится все более и более энергичным, и они все сильнее сталкиваются одна с другой. Первыми начинают отрываться электроны, расположенные на самых внешних оболочках и слабее всех связанных с ядрами своих атомов. Внутри газа появляется как бы второй газ, состоящий из свободных, вырванных из «насиженных» гнезд электронов. Вслед за ними наступает очередь электронов, «сидящих» на более глубоких и прочных орбитах.
Этот процесс сопровождается диссоциацией молекул газа, то есть распадом их на ионизированные атомы.
А столкновения между ионизированными молекулами и лишенными всех или части своих электронов атомами учащаются и усиливаются, пока газ не начинает напоминать кровь, у которой кровяные шарики плавают в жидкости, называемой плазма.
Такой газ, в котором под действием очень высокой температуры произошло разделение вещества на мечущиеся с бешеной скоростью и непрерывно сталкивающиеся между собой свободные электроны, оголенные от электронов ядра атомов — ионы и целехонькие, каким-то чудом все еще удерживающие свои электроны атомы, ученые стали тоже называть, по некоторому сходству с кровью, плазмой.
Вот в таком, плазменном состоянии и находится подавляющее большинство материи Вселенной: звезды, межзвездный газ, недра планет. «Идеальной» плазме, с полностью разделенными атомными частицами, соответствует температура в несколько десятков миллионов градусов.
Однако плазма — это не только нагретый до невероятно высокой температуры газ. Это совершенно иное физическое состояние, проявляющее целый ряд важных и просто необыкновенных свойств — четвертое состояние вещества.
Плазменное состояние может возникнуть и при менее высоких и даже относительно низких температурах, например если газ находится в сильно разреженном состоянии. Прежде чем столкнуться, частицы такого газа успевают приобрести скорость и энергию столкновений, соответствующую тем же очень высоким температурам, а из-за малого количества таких сталкивающихся частиц весь объем газа будет относительно холодным. Так огромная, спокойно стоящая толпа на площади может быть практически бездеятельна, в то время как сравнительно небольшая толпа сильно возбужденных и мечущихся людей может причинить много неприятностей.
Пламя свечи, электрическая дуга, огненная струя, вырывающаяся из сопла реактивного двигателя или ракеты, — все это плазма.
Коронный электрический разряд, северное сияние, свечение лампы холодного света, огни святого Эльма, ослепительный след молнии и многие другие явления такого же порядка — тоже плазма.
По ряду признаков плазма действительно сходна с газом. Она и разрежена и текуча. Однако на уровне молекул и атомов природа ее строения совершенно различна и именно это объясняет чрезвычайно широкое разнообразие ее свойств, что резко отличает плазму от всех остальных состояний вещества.
Газы являются относительно спокойной смесью сравнительно медленно движущихся молекул, которые ведут себя почти как независимые тела. Они очень слабо притягиваются одна к другой, значительно сильнее отталкиваются, а когда сталкиваются, то отскакивают, как бильярдные шары.
В плазме атомы ионизированы, то есть состоят частично или целиком из заряженных частиц, которые или отталкиваются, или притягиваются одна к другой и в то же время мечутся со страшной скоростью. Энергия, заключенная в их скорости, делает плазму значительно горячее, чем любое химическое пламя.
Более того, в одной и той же плазме могут параллельно существовать по крайней мере три различные температуры: температура быстрых электронов, она же и самая высокая в плазме; температура нейтральных, неионизированных атомов — самая низкая в плазме; промежуточная температура, соответствующая движению ионизированных в разной степени атомов плазмы.
Взятая в целом, нагретая даже до самой высокой температуры. плазма электрически нейтральна, так как содержит одинаковое количество отрицательно и положительно заряженных частиц (электронов и ионов). Но если к ней приложить внешнее электрическое напряжение (поле), то в ней возникнет электрическая проводимость двух видов: отрицательная (благодаря движению электронов в одном направлении) и положительная (благодаря движению ионов в противоположном направлении).
Одновременно плазма способна сама течь, как жидкость, вступать в реакцию с другими веществами, как химический раствор. Она легко поддается воздействию внешнего электрического и магнитного полей. При некоторых условиях плазма является отличным проводником электрического тока, не хуже меди или алюминия.
Плазма может быть холодной, сверххолодной, сверхгорячей, сверхбыстрой и сверхплотной. Но это всё условные эпитеты.
Название «холодная» в приложении к плазме имеет несколько необычный характер — речь идет о плазме, температура которой не превышает миллиона градусов. Плазма с температурой меньше 100 тысяч градусов считается сверххолодной, и ядерная физика пока ею не интересуется вовсе. Плазма с температурой выше 100 миллионов градусов считается уже горячей, а выше 5 миллиардов градусов — сверхгорячей. Сверхгорячую плазму называют еще релятивистской, потому что заключенные в ней частицы движутся со скоростями, почти равными скорости света.
Плазму можно сравнить с некой системой денежных единиц, посредством которых природа осуществляет большинство преобразований, связанных с получением, сохранением и высвобождением энергии.
Звезды являются гигантскими сгустками плазмы, и идущие в их недрах термоядерные реакции, в результате которых выделяются невообразимо огромные количества теплоты и света, не могут осуществляться ни при каком ином состоянии вещества, кроме как в плазменном.
ЧУДОДЕЙСТВЕННАЯ ИСКРА
Электрический разряд всегда привлекал внимание ученых. Возможность зарядить какое-либо тело до огромного электрического напряжения, а затем разрядить его в ничтожно короткое время через тоненький проводник или небольшой объем какого-нибудь вещества прямо подсказывала, что в этом случае на пути ослепительно яркой искры должна мгновенно выделиться очень большая энергия, а следовательно, и развиться очень высокая температура при соответствующем огромном давлении.
Примером, подкрепляющим эти соображения, является молния, разрушительная сила которой общеизвестна.
Поэтому уже с XVII века ученые во всем мире, начиная с В. Франклина и М. В. Ломоносова, усиленно исследуют это и хорошо известное и во многих деталях еще таинственное явление.
Особое внимание в этих исследованиях всегда привлекало то обстоятельство, что количество энергии, участвующей, например, в грозном явлении природы — молнии, ничтожно мало по сравнению с огромной силой этого электрического разряда. По приблизительным подсчетам, стоимость одного разряда молнии средней силы по ценам электроэнергии, отпускаемой электростанциями, составляет около 14 копеек, то есть ее энергия равна 3—4 квт-ч.
Чтобы пробить слой воздуха толщиной в несколько километров, естественный электрический конденсатор, образуемый грозовой тучей и поверхностью Земли или двумя тучами, должен быть заряжен до напряжения, равного сотням миллионов и больше вольт. Произвести же все те разрушения, которые способна вызвать молния, может лишь электрический ток, достигающий силы десятков и сотен тысяч ампер.
Следовательно, при столь высоких напряжениях и огромной силе тока 3—4 квт-ч энергия молнии может выделиться только при условии, если весь этот процесс происходит в очень короткие отрезки времени — тысячные и более короткие доли секунды, так же как разрушительная сила взрыва снаряда или бомбы определяется тем, что весь взрыв длится ничтожно малое время.
Электрический разряд искусственных молний — установок, созданных руками человека, однако, в тысячи раз менее мощных, чем молния, разрушает любые существующие в природе диэлектрики, в мгновение ока испаряет любой самый тугоплавкий металл, заставляет с ослепительной яркостью светиться любые тела.
Расчеты и косвенные измерения показали, что в момент электрического разряда температура в искре может достигать при благоприятных условиях миллионов градусов.
Поэтому после открытия явления взрывной термоядерной реакции интерес к искре — электрическому разряду в веществе — сразу приобрел очень большое, можно сказать, принципиальное значение.
Мы уже говорили, что обуздать термоядерную реакцию можно лишь в том случае, если будут найдены такие пути, чтобы она не носила характера взрыва.
Разрешение этой задачи, как выразился один из крупнейших советских физиков, академик И. В. Курчатов, «сняло бы с человечества постоянную жизненную заботу о запасах энергии, необходимых для существования на Земле».
Раз термоядерные реакции могут возникнуть только в случае, если температура вещества увеличилась настолько, что при столкновении ядер в результате их теплового движения появляется возможность преодолеть суммарные мощные электрические силы отталкивания, существующие между ядрами атомов, то электрический разряд, например в газообразном дейтерии, при котором возникают надежды получить хотя бы и мгновенные сверхвысокие температуры, самым обнадеживающим образом открывает одно из направлений возможных поисков путей такого управления.
Разряд в смеси дейтерия и трития предоставил бы еще большие возможности, так как для получения заметного эффекта потребовалась бы более низкая температура, чем при использовании других известных веществ. Однако и в том и в другом случае, чтобы приблизиться хотя бы к порогу термоядерной реакции, речь должна идти о температурах порядка нескольких десятков миллионов градусов и давлениях в сотни миллиардов атмосфер.
При таких температурах с ядра атома срываются все электронные оболочки и вещество, дейтерий или его смесь с тритием, может существовать лишь в форме плазмы — вещества или среды, в которой голые атомные ядра как бы плавают в газе, состоящем из отдельных электронов.
Но как бы быстро ни происходили процессы, при которых ядра атомов дейтерия и трития, соединяясь, образуют ядра атомов нового вещества — гелия, в свою очередь выделяя еще большую энергию, на это нужно все же какое-то строго определенное время, в течение которого температура и давление в плазме поддерживались бы на уровне названных астрономических величин — миллионов градусов, миллиардов атмосфер.
А это представляет собой самую трудную задачу. При такой температуре ядра атомов и электроны, движущиеся с огромными скоростями, непрерывно бомбардируют стенки того сосуда, в котором заключена плазма, передавая им все образующееся в плазме тепло.
А самое тугоплавкое вещество на Земле не выдерживает температуру выше 4000°.
Разница огромная и, казалось бы, безнадежная.
Почему нельзя расплавить слиток металла на примусе.
Но если бы мы даже и имели такое вещество и попытались нагреть плазму до этой температуры, это все равно сделать бы не удалось. Уже при температуре в несколько десятков тысяч градусов отдача тепла любым сосудом в окружающее пространство станет настолько большой, что уравняется с температурой плазмы. И если такой сосуд не изолировать, то дальнейшее повышение температуры внутри него станет невозможным.
Поясним это примером.
Допустим, мы стали при помощи примуса нагревать большой кусок металла. Можем ли мы его весь расплавить за несколько дней, недель или месяцев непрерывного нагревания?
Сначала температура слитка начнет относительно быстро подниматься. Но через некоторое время этот подъем прекратится, сколько бы мы после этого ни грели слиток. Наступит состояние температурного равновесия, при котором нагревшийся до определенной температуры слиток металла будет отдавать (излучать) в окружающее пространство ровно столько же тепла, сколько он его получает от горелки. Повысить температуру слитка в этом случае можно, лишь увеличив температуру горелки. Тогда наступит новое состояние равновесия.
Теоретически все же слиток расплавить можно. Для этого надо лишь поместить его в такой идеальный сосуд, который совершенно не позволял бы теплу уходить от слитка.
Однако столь совершенных изоляторов тепла не существует.
По мере повышения температуры дейтерия повышается и давление в нем. Уже при температуре 100 тысяч градусов давление составит больше миллиона атмосфер. Удержать такое давление можно лишь в течение ничтожно короткого времени. Иначе любой сосуд мгновенно разлетится.
Чтобы разрешить все эти серьезнейшие проблемы, нужны какие-то принципиально новые открытия, приемы, изобретения. Лучшим из них был бы способ, при помощи которого частицы дейтерия, приобретающие под действием чудовищных температур электрического разряда огромные скорости, не разлетались бы во все стороны, не переносили бы с собой тепловую энергию к стенкам сосуда, то есть, чтобы между сосудом и плазмой создалась некая пустота, а следовательно, и идеальная тепловая изоляция.
Тогда все движение частиц сосредоточилось бы только в самой плазме, в результате чего ее температура непрерывно и сколько угодно повышалась бы, а стенки сосуда оказались бы, фигурально выражаясь, «холодными». Тогда одновременно не передавалось бы на стенки сосуда и чудовищное давление, возникающее внутри плазмы.
Но где же взять такую сверхсильную «руку», удерживающую бешено мятущиеся частицы внутри сосуда?
ЭНЕРГИЯ ВОДОПАДА В СТЕКЛЯННОЙ ПРОБИРКЕ
В 1950 году советские ученые — в то время молодой еще физик, ныне академик А. Д. Сахаров и академик старшего поколения И. Е. Тамм — предложили идею такой «руки».
Рукой титана, способного сделать, казалось бы, невозможное — воздвигнуть незримый барьер между плазмой и стенками сосуда, укрощающий плазму и создающий тепловую изоляцию, — оказалось мощное магнитное поле.
Магнитное поле сразу убивало двух зайцев. Под его действием характер движения нагретых заряженных частиц — электронов и протонов — в плазме резко меняется. Вместо того чтобы метаться под действием непрерывно следующих одно за другим столкновений по прямолинейным траекториям, они начинают двигаться по спиралям, радиус которых становится тем меньшим, чем сильнее действующее на них магнитное поле. В результате вся плазма стягивается к центру сосуда (к оси трубки), превращаясь в тонкий шнур, частицы уже не достигают его стенок, давление же и температура внутри плазмы непрерывно повышаются. Плазма оказывается плененной, ее энергия уже не уносится частицами в окружающее пространство.
И это магнитное поле даже не надо создавать извне. Оно образуется само собой при прохождении электрического тока через любой проводник. Надо лишь, чтобы ток имел большую величину — сотни тысяч ампер, то есть чтобы разряд был мощнее, чем удар обыкновенной молнии. Тогда, основываясь на теоретических соображениях, можно было бы рассчитывать на то, что вещество в сосуде, где происходит электрический разряд, за миллионные доли секунды превратится в плазму, сожмется в тонкий плазменный шнур и отойдет от стенок камеры. Температура в нем достигнет миллионов градусов, давление — миллиардов атмосфер, и между ядрами дейтерия или смеси дейтерия и трития возникнет термоядерная реакция. Это, конечно, в идеальном случае.
Для того чтобы считать опыты удавшимися, достаточно было, чтобы в термоядерную реакцию вступили хотя бы несколько ядер.
При соединении ядра дейтерия и ядра трития образуется одно ядро гелия, выбрасывается один лишний нейтрон, испускаются гамма-лучи и выделяется энергия, равная 14,6 Мэв:
Дейтерий + тритий = гелий + нейтрон + излучение.
В этом случае сигналом-весточкой об этом многозначительном событии было бы излучение нейтронов и гамма- лучей: хотя бы одного нейтрона, хотя бы единственного кванта невидимого света — гамма-лучей.
Чтобы избежать колоссальных давлений, разряд должен осуществляться в чрезвычайно разреженной газообразной смеси дейтерия и трития, давление которой составляет всего 0,1 мм ртутного столба.
И вот советские ученые впервые произвели серию таких опытов. Электрический ток большой силы пропускался через водород, дейтерий и другие газы при различных степенях разрежения.
Максимальная сила тока в некоторых случаях достигала 2 миллионов ампер, а мгновенно выделявшаяся в течение миллионных долей секунды мощность более чем в 10 раз превосходила мощность любой из волжских гидроэлектростанций.
Особенно тщательно обставлялись опыты измерительными и контрольными установками. Ведь нельзя было не заметить и упустить ни единого нейтрона. От этого зависела не только судьба опыта, но и нового направления в науке.
Возможный вариант управляемой термоядерной реакции. Электрический разряд огромной мгновенной силы пропускается через трубку, наполненную дейтерием или смесью дейтерия с тритием. Под действием разряда, создающего одновременно и высокую температуру, и очень сильное магнитное поле, дейтерий нагревается до температуры в несколько миллионов градусов. Образовавшаяся из него светящаяся плазма собирается в тонкий шнур. Благодаря космическим температуре и давлению в плазме создаются условия для термоядерной реакции синтеза с выделением большого количества энергии.
Аппаратура, регистрирующая события, протекающие в миллионные доли секунды, улавливающая единичные нейтроны и кванты энергии, сверхскоростные фото- и кинокамеры, фиксирующие на пленке все эти процессы, — весь арсенал современной экспериментальной физики был щедро предоставлен ученым для их смелого рейда в будущее.
Тяжелый труд дал обнадеживающие результаты. Действительно, в трубке с разреженным газом создавался плазменный шнур, температура которого достигала миллионов градусов. Раньше ее можно было получить только при взрыве атомной или водородной бомбы.
И самое главное, в некоторые моменты опыта из разрядной трубки вылетали нейтроны и появлялись гамма-лучи.
Конечно, многое в этих опытах остается еще не ясным и окончательно не решенным. Испускание нейтронов, возможно, происходит и не в результате термоядерной реакции, а вследствие каких-то других процессов в плазме. Оказалось, что явления, развертывающиеся в ней, намного сложнее тех предположений, которые первоначально были сделаны учеными в их теоретических расчетах.
«ОСОБА» С ТЫСЯЧЬЮ КАПРИЗОВ
Плазма — на редкость неустойчивое образование. Часто, казалось бы, без всяких внешних причин, она начинает «бунтовать» — выплескивается из удерживающего ее магнитного поля. А попадая на стенки установки, она мгновенно охлаждается и тут же «погибает».
Вопреки самым оптимистическим ожиданиям ученых, одно только магнитное поле, взятое само по себе, к сожалению, не является той идеальной невидимой «клеткой», в которой можно было бы удержать волшебную «жар-птицу».
Например, при разряде плазма испытывает ряд быстрых, стремительно следующих одно за другим сжатий и расширений. Она как бы дышит. Во время этих колебаний вещество ее то собирается к оси трубки, то разлетается к ее стенкам с огромными скоростями, достигающими 100 км/сек. При этом на мгновения в плазме создаются очень большие электрические перенапряжения, которые, может быть, и повинны в появлении нейтронов и рентгеновых лучей.
Возможно, что отдельные частицы плазмы, сталкиваясь одна с другой в бесконечных комбинациях скоростей, случайно приобретают столь большую энергию, что их в конце концов выбрасывает к стенкам сосуда сквозь магнитное поле любой напряженности.
Не исключено, что при некоторых, опять-таки случайных, благоприятных условиях большое количество заряженных частиц, двигаясь в какой-то момент в одном и том же направлении, может создать свое собственное магнитное поле, способное выдавить плазму через общее магнитное поле, изолирующее ее от стенок установки.
После первых, казалось, решающих успехов ученым пришлось довольно надолго засесть за терпеливое и кропотливое изучение всех капризов и особенностей плазмы. А их оказалось очень много — один коварнее другого.
Если в какой-либо лаборатории удавалось достичь температуры порядка десятков и даже сотен миллионов градусов, то удержать ее можно было лишь в течение тысячных или более коротких долей секунды. Если же удавалось увеличить этот срок до сотых или даже десятых долей секунды, то не достигалась нужная температура.
Почему же все-таки столь важно изучить все без исключения повадки плазмы?
Дело в том, что управляемая термоядерная реакция в плазме не начинается так, как в водородной бомбе, — взрывом, длящимся миллионные доли секунды. Время «слияния» частиц зависит от «густоты» — плотности плазмы. Существует определенный максимум такой «густоты», который еще способно удержать магнитное поле данной напряженности. Если плотность плазмы достигнет этого максимума, то время слияния будет равно приблизительно 1 сек.
Следовательно, нужно ухитриться термоизолировать — удержать температуру плазмы (а она, как мы знаем, равна примерно 200 миллионам градусов) хотя бы на секунду или даже больше. Кроме того, для практических целей необходимо, чтобы концентрация частиц в плазме была достаточно большой, ибо скорость выделения энергии пропорциональна квадрату концентрации. Чем больше концентрация, тем меньше время удержания плазмы. А это требование, как видите, противоречит предыдущему.
Так как первоначальный способ — электрический разряд в газовой смеси — в свое время обнадеживающих результатов не дал, а плазменное состояние можно получить и другими способами, то ученые начали тщательно исследовать их.
МАГНИТНАЯ «КЛЕТКА» ДЛЯ «ЖАР-ПТИЦЫ»
Мы уже говорили, что если движущаяся заряженная частица попадает в магнитное поле, то она начинает закручиваться — тем круче, чем сильнее магнитное поле. Магнитное поле действует на заряженную частицу несколько необычно — оно ее не притягивает и не отталкивает.
Схема устройства магнитной ловушки («бутылки»).
Частица как бы навивается на незримые и пока еще неизвестно из чего состоящие и считающиеся условными «магнитные силовые линии». Они при этом действуют не на самую движущуюся заряженную частицу, а на создаваемое ею магнитное поле. Точнее, они изменяют только то движение заряженных частиц, которое направлено перпендикулярно силовым линиям поля.
Исходя из этой особенности поведения заряженных частиц в магнитном поле, работы по конструированию установок для удержания плазмы пошли в основном по двум направлениям: системы открытого типа и системы замкнутые.
Представим себе отрезок огромной трубы, из которой тщательно откачан воздух. Снаружи на трубу надеты катушки из толстого провода, по которым проходит постоянный ток большой величины, создающий внутри трубы сильное магнитное поле.
Если теперь сбоку, в центре трубы, «впрыснуть» порцию предварительно ускоренных до большой энергии электронов или положительно заряженных ионов дейтерия, то они тотчас же начнут навиваться на линии этого поля, сталкиваться один с другим и нагреваться. Если при этом увеличить напряженность магнитного поля, то, уплотняясь, оно начнет сжимать и «гирлянды» заряженных частиц, навившихся на силовые линии этого поля. Число их столкновений увеличится, а температура плазмы поднимется еще выше Плазменный шнур как бы повисает в пространстве, целиком оторвавшись от стенок сосуда, которые становятся «холодными» и уже не передают тепло наружу. Плазма оказывается взаперти.
Примерно так повисает сферический «комок» жидкости, вылитый из сосуда в кабине космического корабля в состоянии невесомости, когда прекращается действие сил земного тяготения. Не соприкасаясь нигде со стенками сосуда, жидкость сохраняет сферическую форму только благодаря силам поверхностного натяжения своей наружной пленки.
Устройства такого рода называются адиабатическими ловушками, а в просторечии — магнитными ловушками.
Примером магнитной ловушки является наша планета. Попавшие в нее заряженные частицы, вместо того чтобы обрушиться смертоносным потоком на поверхность Земли и ее живое население, начинают закручиваться вокруг линий магнитного поля. Это и есть знаменитые радиационные пояса Земли. До поверхности Земли сквозь этот своеобразный магнитный щит удается прорываться только сравнительно немногим частицам. К счастью для человечества, значительная часть их задерживается еще и другой не менее эффективной броней планеты — атмосферой.
Как-то неловко, но нашу волшебную «жар-птицу» мы, выходит, затискиваем не в клетку, а в «бутылку». Одно утешение, что она невидимая и магнитная!
Но, отжав с помощью достаточно сильного магнитного поля раскаленную плазму от стенок, мы, однако, не лишили ее возможности передвигаться вдоль линий магнитного поля в направлении от «крышки» до «дна» сосуда. Дойдя до них, плазма снова начнет интенсивно отдавать свое тепло наружу. Следовательно, нужно как-то отжать плазму еще и от торцов сосуда.
Чтобы «зажать» плазму и в этих направлениях, ученые придумали «заткнуть» бутылку еще и пробкой — усилили магнитное поле в обе стороны от средней области ловушки. Отражаясь от таких пробок, — вернее, «зеркал», — часть плазмы оказывается запертой в более ограниченном пространстве и получает возможность нагреться еще больше.
В 1962 году на несколько более сложной, чем рассказано, установке (БР-5) с дополнительными продольными стержнями («палками») была получена плазма с температурой около 40 миллионов градусов с хорошей концентрацией частиц. Эту температуру удавалось удерживать уже примерно до 0,1 сек. Это был, несомненно, крупный успех советских ученых.
Однако и здесь обнаружились новые виды неустойчивости плазмы, связанные с неравномерным распределением в ней частиц.
Другим важным направлением являются исследования в системах с замкнутыми плазменными шнурами, помещенными в сильное продольное стабилизирующее магнитное поле.
Одна из разновидностей магнитных ловушек.
В них частицы заставляют двигаться вдоль бесконечной (кольцевой) трубки, сжимая ее не поперечным, а продольным магнитным полем. При этом нагрев плазмы производится раздельно — путем пропускания через нее сильного постоянного электрического тока (поток электронов).
Для устранения некоторых недостатков и капризов плазмы такую «баранку» приходится иногда скручивать в восьмерку.
Совершенствование магнитных полей и вакуумных условий позволили советским ученым на установках подобного типа получать при концентрации плазмы порядка 2 · 10!3 частиц в кубическом сантиметре температуру порядка 2 миллионов градусов. Правда, время жизни плазмы при этом длилось около 0,005 сек.
Здесь наряду с проблемой тепловой изоляции плазмы приходится уделять внимание еще и вопросам ее нагревания.
Вы уже знаете, что некоторые резонансные явления, например в циклотронах, позволяют ускорять заряженные частицы. Если на плазму, находящуюся в постоянном магнитном поле, действует еще и переменное электромагнитное поле, частота которого близка к угловой скорости вращения ионов в постоянном поле, то эти ионы получат дополнительное ускорение.
С помощью таких «ионных циклотронных волн» удалось нагревать ионы до 10—20 миллионов градусов, правда при невысокой температуре электронов плазмы.
Любопытны и попытки использовать неустойчивость пучков электронов при их взаимодействии с плазмой для дополнительного нагрева этих же самых электронов. Ведь на вся кие многочисленные колебания, выкручивания, выплески и другие «выкрутасы» электронного пучка расходуется энергия, и к тому же немалая!
Напомним, что в одной и той же плазме могут пребывать частицы, имеющие разную энергию движения, а следовательно, и температуру (вроде смеси трех отдельных газов) — например, очень «горячих» электронов, «холодных» ионов и «совсем холодных» нейтральных атомов. Поэтому делаются попытки использовать плазму с «горячими» электронами, то есть с электронами, ускоренными до больших энергий, для накопления с ее помощью плазмы с «горячими» ионами или комбинированный нагрев одновременно электронов и ионов.
В Новосибирском институте ядерной физики развивается метод так называемого ударного нагрева. Прикладывая к «холодной» плазме, находящейся в постоянном магнитном поле, дополнительно еще короткий импульс магнитного поля, в ней можно возбудить мощную ударную волну, распространяющуюся поперек постоянного магнитного поля. Таким методом удалось получить плазму с энергией ионов до 10 тысяч электронвольт.
А что, если попытаться в магнитную ловушку впрыскивать не горячие, а холодные, то есть нейтральные частицы? Не имея заряда, они беспрепятственно пройдут сквозь магнитные «стенки». Когда же они окажутся внутри ловушки, с помощью мощного луча света лазера можно превратить их в плазму. Подхваченная электромагнитным полем, эта плазма нагреется уже до нужной температуры. Пока что это, конечно, только весьма соблазнительная идея.
Усовершенствование метода самосжимаемого разряда специальной конфигурации (с его описания мы начали этот раздел книги) позволило в последнее время получить в объеме порядка 1 мм2 на время 2—3 десятимиллионные доли секунды дейтериевую плазму, нагретую до нескольких десятков миллионов градусов, с концентрацией около 1020 частиц в 1 см2. При этом было зарегистрировано появление примерно 1010 нейтронов. При использовании же вместо дейтерия его смеси с тритием выход нейтронов повысился до 3—4 · 1011. Это пока единственный метод, которым удалось получить плазму с рекордными показателями, приближающимися к условиям, при которых, по расчетам ученых, могут начаться термоядерные реакции (выход нейтронов для реакции в дейтерии должен составлять 1012).
Окажется ли это явление «синицей, обещающей зажечь море», крошечным ручейком, ведущим к океану неограниченной энергии в руках человека, или этот ручеек иссякнет, едва отойдя от своего истока, покажет лишь будущее, и, возможно, ближайшее.
Стоит только вспомнить, что использование дейтерия (тяжелого водорода), содержащегося в 1 л обыкновенной воды, а его там менее 0,2 г, даст такое же количество энергии, как сжигание 300 л бензина.
Как часто случается в науке, развитие термоядерных исследований привело к неожиданным «боковым» выходам. Разработка плазменных «впрыскивателей» (инжекторов) для заполнения «магнитных ловушек» привела к созданию плазменных двигателей, используемых на космических кораблях, а исследование поведения плазменных струй в магнитных полях породило новое направление — разработку плазменных динамо-машин (так называемых магнитогидродинамических преобразователей) для непосредственного превращения теплоты в электрический ток (минуя паровые котлы и вращающиеся машины) с высоким к. п. д. — 50—70% и выше против 35—38% у самых совершенных тепловых электростанций.
Возникают, конечно, и многие другие увлекательные проблемы. К сожалению, рассказ о них увел бы нас за рамки этой книги.
ЕСЛИ БЫ...
В главе шестнадцатой мы показали, какими свойствами обладают атомы веществ, у которых на внешней орбите вместо легчайшего электрона вращается более «увесистый» мю- или пи-мезон. Атом сразу сжимается до 1/210 или 1/273 своего диаметра. Не нужно обладать слишком большим воображением, чтобы представить себе окружающую нас действительность, в которой наряду с привычными веществами применялись бы и некоторые новые, изготовленные из мезонных атомов.
Атомный реактор величиной с орех, окруженный биологической защитой толщиной 1I см и охлаждаемый жидкостью в 210 раз более плотной, чем тяжелая вода или жидкий металл. Броня толщиной в лист бумаги. Ручной молоток, весящий около 250 кг. Действительно, в объеме, где раньше с трудом умещался один атом, их стало бы возможно «упаковать» почти три сотни.
Увы. . . пока это только теоретический курьез, более отдаленный, чем была мечта о высвобождении внутриядерной энергии столетие назад. Никто еще не представляет себе, каким путем электроны у атома можно заменить мезонами.
Предположительная последовательность осуществления холодной каталитической термоядерной реакции соединения мезонного атома водорода с атомом дейтерия, в которой в качестве своеобразного атомного катализатора выступает отрицательный мю-мезон.
И, самое главное, если бы мезонный атом мог существовать не миллиардные доли секунды, а хотя бы секунду, не говоря уже о часах или десятилетиях. Однако ученые уже сейчас начинают мечтать. И эти мечты идут значительно дальше, чем все то, о чем человек мечтал до сих пор. Новая эпоха — новые мечты!
Вот одна из них, пожалуй, наиболее увлекательная. Несколько лет назад советские ученые Я. Б. Зельдович, А. Д. Сахаров и М. А. Марков после длительных расчетов и теоретических выкладок пришли к выводу, что термоядерная реакция синтеза водорода в гелий может быть совсем не термоядерной, проходить «на холодке», без невероятных давлений и температур, без необходимости создавать на Земле слишком горячий кусочек Солнца. Все, что для этого нужно, — это мю-мезонные атомы водорода.
При встрече с атомом дейтерия мезонный атом может подойти к нему столь близко, что отрицательный мезон начнет вращаться и вокруг атома водорода и вокруг дейтрона, стягивая их все ближе и ближе, пока на какую-то миллионную долю секунды не образуется сначала своеобразная мезонная молекула, а затем обе частицы, попав в сферу действия внутриядерных сил, окончательно стянутся в ядро атома гелия. При этом, как вы знаете, должно выделиться 5,4 Мэв энергии. Совершивший это полезное дело мю-мезон окажется в ядре атома гелия «третьим лишним», — ему там нет места. Вся колоссальная энергия, выделившаяся при образовании ядра атома гелия, выбросит мю-мезон из ядра. Растратив добрую долю своей энергии при столкновениях с другими атомами, мезон снова застрянет в каком-то из них, задержавшись на месте выбитого электрона и образовав новый мезонный атом водорода. Такой кочующий, неразменный и вечно целый мезон мог бы создавать новые мезонные атомы и молекулы, а затем огромное, все увеличивающееся поколение новых атомов гелия.
Еще более величественна мечта об управляемой ядерной реакции слияния.
Но... жизнь мю-мезона столь скоротечна, что в лучшем случае он успевает объединить одну-две пары ядер атомов водорода и дейтерия в ядро атома гелия, а затем через миллионную долю секунды, щедро растратив свою энергию, взрывается, распадаясь на электрон и два нейтрино.
Как видите, дело осталось за маленьким — найти способ удлинить время жизни мезона в миллиарды миллиардов раз. Или же создать такой источник мезонов, который непрерывно поддерживал бы количество вновь созданных искусственных атомов на требуемом уровне ядерной реакции, при которой каждый раз вместо одного сделавшего свое дело и распавшегося мю-мезона немедленно возникал бы новый мю- мезон.
Такая реакция, в которой мезон играл бы роль ядерного катализатора, была названа каталитической.
Любая мечта, чтобы жить и постоянно будоражить мысль ученых, должна иногда, хотя бы на мгновение, показывать свое лицо, давать человеку какие-нибудь доказательства своей осуществимости.
Какие головокружительные открытия сделают ученые в ближайшие годы, гадать сейчас еще очень трудно. Уверенно можно сказать лишь одно — авторы научно-фантастических романов ближайшего и отдаленного будущего энергию для своих космических кораблей будут черпать из холодного синтеза долго живущих мезонных атомов водорода в ядра гелия-3 или путем образования антивещества из антипротонов, антинейтронов и позитронов, и соединения его с обычным веществом. Превращаемые целиком в кванты света вещество и антивещество понесут в космические просторы фотонную ракету со скоростью, близкой к скорости света.
Обуздав чудовище водородной бомбы, человечество получит возможность разменять миллиарды киловатт-часов ее энергии на меньшие дозы, которые можно использовать, как угодно. Какие неограниченные возможности даст в руки человека этот новый источник энергии, по сравнению с которым атомная энергия будет казаться примерно такой же, как сейчас энергия взрыва динамита выглядит рядом с энергией взрыва атомной бомбы.
* * *
Несмотря на все старания, многие весьма важные вопросы, связанные непосредственно с атомной энергией, все же остались освещенными слишком кратко или же не затронутыми вовсе.
Поэтому на следующей странице приводится перечень книг, которые автор рекомендует прочесть, если этой работой ему удалось вызвать у читателя интерес к более глубокому изучению самой увлекательной проблемы современности — получению и использованию атомной энергии.
Гладков Кирилл Александрович
