Человеческая цивилизация не может ни существовать, ни тем болееразвиваться без энергии. Сегодня основными ее источниками служат нефть,газ и уголь. По оценкам специалистов, запасы этих ископаемых на исходе,и уже наши внуки могут столкнуться с очень серьезной проблемой нехваткиэнергии. Поэтому исследователи всех развитых стран связывают надежды напреодоление грядущего энергетического кризиса с управляемой термоядернойреакцией. Такая реакция - синтез гелия из дейтерия и трития - миллионылет протекает на Солнце, а в земных условиях ее вот уже пятьдесят лет пытаютсяосуществить в гигантских и очень дорогих лазерных установках, токамакахи стеллараторах. Однако есть и другие пути решения этой непростой задачи,и вместо огромных токамаков для осуществления термоядерного синтеза можнобудет, вероятно, использовать довольно компактный и недорогой коллайдер- ускоритель на встречных пучках. Кандидат технических наук Л. ЖИЛЯКОВ, институт высокихтемператур РАН. Проблема управляемого термоядерного синтеза - одна из важнейших задач,стоящих перед человечеством. По данным Мирового энергетического совета,разведанных запасов углеводородного топлива на Земле осталось на 50-80лет. Единственный долгосрочный источник энергии - это ядерная энергия,которая выделяется в процессе деления или синтеза. Между тем эксплуатацияатомных электростанций, работающих за счет деления ядер урана, приводитк серьезным экологическим проблемам. Процесс термоядерного синтеза в значительной степени свободен от недостатков, присущих процессу деления. В реакциисинтеза не образуется долгоживущих радиоактивных изотопов, топливом длянее служат тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий. В литре обычнойводы содержится примерно 0,03 г дейтерия, но в процессе его реакции выделяетсястолько же энергии, сколько при сгорании 300 литров бензина! Запасов дейтерияна Земле хватит, чтобы обеспечивать человечество энергией около миллиардалет. Немаловажно, что производство термоядерного топлива уже сегодня оченьнедорого: в нынешних условиях цена составила бы 1-2 копейки за киловаттэлектроэнергии и будет снижаться в дальнейшем.

Кольцевой зал ускорителя У-70 (Протвино). Справа примыкает каналввода ионов (в даном случае - протонов, ионов водорода H) первичного источника(синхротрона) в ускоритель. Ускоритель-коллайдер для термоядерного синтезаможет иметь гораздо меньшие размерыСуммируя сказанное, можно сделать вывод: кто получит управляемую реакциюсинтеза, тот практически полностью обеспечит себя энергией. И можно смелоутверждать, что решение этой проблемы окупит все затраты.


Термоядерный синтез в луче лазера требует сооружения циклопическихустройств. На снимке - одна из 192 линий исследовательс кой установки,построенной в Ливерморской национальной лаборатории (США).С физической точки зрения задача формулируется несложно. Для осуществлениясамоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно соблюстидва условия. 1 . Энергия участвующих в реакции ядер должна составлять не менее10 кэВ. Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие в реакции ядра должны попастьв поле ядерных сил, радиус действия которых 10-12-10-13с . см. Однако атомные ядра обладают положительным электрическим зарядом,а одноименные заряды отталкиваются. На рубеже действия ядерных сил энергиякулоновского отталкивания составляет величину порядка 10 кэВ. Чтобы преодолетьэтот барьер, ядра при столкновении должны иметь кинетическую энергию покрайней мере не меньше данной величины. 2. Произведение концентрации реагирующих ядер на время удержания,в течение которого они сохраняют указанную энергию, должно быть не менее1014 с . см-3. Это условие- так называемый критерийЛоусона - определяет предел энергетической выгодности реакции. Чтобы энергия,выделившаяся в реакции синтеза, хотя бы покрывала расходы энергии на инициированиереакции, атомные ядра должны претерпеть много столкновений. В каждом столкновении,при котором происходит реакция синтеза между дейтерием (D) и тритием (Т),выделяется 17,6 МэВ энергии, т. е. примерно 3 . 10-12 Дж.Если, например, на поджиг затрачивается энергия 10 МДж, то реакция будетнеубыточной, если в ней примут участие не менее 3 . 1018пар D-T. А для этого довольно плотную плазму высокой энергии нужно удерживатьв реакторе достаточно долго. Такое условие и выражается критерием Лоусона.Если удастся одновременно выполнить оба требования, проблема управляемоготермоядер ного синтеза будет решена.Схематично термоядерный реактор можно представить в виде некоторого"черного ящика", в который вводятся топливо (дейтерий и тритий) и энергияЕ1для его нагрева. Выходят из "ящика" продукты реакции - a-частицы, нейтроныи выделяющаяся при синтезе энергия Е2, которая должна быть большезатраченной Е1.Однако техническая реализация данной физической задачи сталкиваетсяс огромными трудностями. Ведь энергия 10 кэВ - это температура 100 миллионовградусов. Вещество при такой температуре удержать в течение даже долейсекунды можно только в вакууме, изолировав его от стенок установки.В настоящее время решение проблемы управляемого синтеза развиваетсяпо двум главным направлениям: магнитное удержание плазмы (токамаки, стеллараторыи пр.) и инерциальное удержание (лазерный синтез).Лазерный синтез методом термоядерных микровзрывов, поджигаемых мощнымилазерными импульсами, в последнее время развивается наиболее интенсивно(см. "самый интересный журнал Наука и жизнь " № 11, 1999 г.). Здесь достигнуты большие успехи втехнике сведения лучей, инжектировании топливных капсул, диагностике плазмыи т. п. Дело за малым - требуется лазерная система, обладающая необходимымипараметрами и с энергией импульса 1-10 МДж. А таковой в настоящее времяне существует, и, следовательно, пока нет никаких реальных оснований прогнозироватьуспех данных работ.Магнитное удержание сводится к попытке получить квазистационарное горениеплазмы. Эти методы имеют уже почти полувековую историю. Путем многочисленныхэкспериментальных исследований найдено, что оптимальными параметрами обладаюттокамаки - установки, в которых рабочая камера имеет форму баранки. Именнона токамаках удалось наиболее близко подойти к требуемым параметрам термоядернойплазмы. Но здесь необходимо отметить небольшую особенность. Практическивесь успех обеспечивается за счет увеличения их размеров. Дело в том, чтотеория токамаков гласит: время удержания плазмы прямо пропорционально напряженностимагнитного поля и квадрату размера установки. Поскольку предел напряженностимагнитного поля практически достигнут, остается единственный путь - увеличениеразмеров. За время существования токамаков их диаметр вырос с 2 до 20 метров.Токамак со вспомогательным оборудованием - это целое предприятие стоимостьюсотни миллионов и даже миллиарды долларов. Строительство очередного токамаказанимает несколько лет, и после ряда экспериментов на нем следует вывод:требуется установка еще больших размеров. В настоящее время осуществляетсямеждународный проект ITER стоимостью более 10 миллиардов долларов. Однакоесть сильные сомнения в том, что и это исполинское сооружение сможет датьположительный выход энергии (см. "самый интересный журнал Наука и жизнь " № 12, 1999 г.).Мы подошли к очень важной особенности работ по управляемому термоядерномусинтезу. Любой проект, независимо от предлагаемого способа удержания плазмы,сегодня оценивается в миллиарды долларов. Установки небольших размерови меньшей стоимости уже давно себя исчерпали. Во всем мире над проблемойсинтеза работают почти 100 тысяч человек, поиском решения занимаются крупнейшиеученые, опытные инженеры и конструкторы. Говорить о том, что в ходе решениябыли допущены какие-то ошибки, нет абсолютно никаких оснований. И в результатемноголетних исследований вся эта армия ученых приходит к однозначному выводу:решение проблемы управляемого синтеза возможно только путем увеличенияразмеров установок при астрономических затратах на их построение.Можно привести весьма любопытный пример вполне реального проекта решениязадачи. Предлагается огромный, объемом несколько кубических километров,стальной котел наполовину заполнить водой и греть ее взрывами термоядерныхзарядов. Автор не берет на себя смелость оценивать целесообразность и экологическиепоследствия реализации подобного проекта. Просто данный пример достаточнонаглядно показывает масштабы поисков альтернативных способов использованиятермоядерной энергии.В настоящее время взгляды на управляемый термоядерный синтез весьмапротиворечивы. 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 ихчрезвычайной дороговизны. Даже самые горячие оптимисты ожидают, что задачаможет быть решена не раньше середины следующего столетия. Но к тому временина Земле будут сожжены почти все запасы нефти и газа и, следовательно,человечество ожидает жесточайший сырьевой кризис. А если решение все жене будет найдено?..Но действительно ли перспективы столь мрачны и человечеству, чтобы избежатьих, необходимо идти на баснословные затраты. Может быть, есть более дешевоеи доступное решение?Такой путь есть. И природа уже неодно-кратно его подсказывала. Еще назаре термоядер ных исследований был обнаружен так называемый "пинч-эффект"- сжатие плазменного столба магнитным полем тока разряда. Эффект вызывалвыброс нейтронов, служащий признаком реакции синтеза. Было много восторгов,ожидалось быстрое решение проблемы синтеза. Очень эмоционально этот моментобыгран в известном фильме того времени "Девять дней одного года". Но восторгибыстро сменились разочарованием: выяснилось, что источником нейтронноговыброса была не реакция по всему объему столба плазмы, а небольшие группыбыстрых 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 реакциюсинтеза с выходом нейтронов. Такой "отрыв от коллектива" физикам оченьне понравился, полученные нейтроны были названы "ложными", и от этого направленияпоисков отказались. Но ведь реакция синтеза шла!Еще пример из недавнего прошлого. Многим хорошо запомнилось сенсационноесообщение о "холодном термояде". Однако достаточно быстро выяснилось, чтообнаруженный М. Флейшманом и С. Понсом и независимо от них С. Джоунсомэффект очень слаб и не может быть использован для получения энергии (см."самый интересный журнал Наука и жизнь " № 6, 1989 г. и № 3, 1990 г.). Наиболее вероятное объяснениеобнаруженного эффекта - так называемая "ускорительная модель": реакциясинтеза происходит в результате ускорения дейтронов сильным электрическимполем, возникающим при растрескивании палладия. Опять ускоренные дейтроны!Обратимся к истории физики. Каким образом была проведена первая реакцияядерного синтеза (Э. Резерфорд, 1919 г.)? Путем бомбардировки ядер азотабыстрыми a-частицами. Каким образом получают ядра трансурановых элементов?Бомбардировкой ядер известных элементов ускоренными частицами.Путь проведения ядерных реакций на ускорителях совершенно естественени ни у кого не вызывает сомнений. Уровень энергий ускоренных протонов измеряетсяуже сотнями гигаэлектронвольт. Для такой техники реакция синтеза дейтерий- тритий или дейтерий - дейтерий с энергией кулоновского барьера 10 кэВникакой сложности не представляет. Тем не менее возможность осуществленияреакции ядерного синтеза путем использования столкновений ускоренных ядердейтерия и трития до сих пор не исследовалась. И для этого есть весьмасущественные основания.Дело в том, что главная цель термоядерных исследований - получение интенсивнойреакции с выделением большого количества энергии, а в ускорителях ядерныереакции происходят практически поштучно. Здесь главное не количество актовреакции, а сам факт ее прохождения. Малая интенсивность ядерных реакцийв ускорителях определяется тем, что количество частиц в ускоряемом пучкесравнительно невелико и соответственно их концентрация мала. Конечно, прямоеиспользование современной ускорительной техники для решения проблемы управляемогосинтеза бессмысленно. Для нее задача повышения концентрации частиц в пучкеставится, но не как основная; здесь главная задача - достичь максимальнойэнергии частиц.А если попытаться сформулировать задачу несколько иначе? Разработатьи создать ускоритель на встречных пучках на энергию ускоряемых ионов дейтерияи трития (дейтронов, тритонов) в несколько сот килоэлектронвольт, когдареакция синтеза уже наверняка пойдет, и при плотности частиц в пучке 1014см-3, когда ее интенсивность будет достаточно велика для практическогоиспользования. При современном развитии науки и техники такая задача можетбыть достаточно быстро решена на ускорителе небольших размеров. Как показываютрасчеты, для получения требуемой плотности ионов величина тока в ускорителедолжна составлять несколько десятков ампер. Существующие сегодня сильноточныеускорители ионов позволяют получать токи до 106 А при энергииионов до 106 эВ. Остается задача удержания пучков с такими параметрами.Но и эта задача имеет решение. В современных ускорителях на встречных пучкахвремя удержания измеряется часами! Можно также попытаться построить реактор,в котором столкновения пучков будут носить импульсно-периоди ческий характер.Само столкновение пучков в этом случае будет иметь длительность порядка10-7-10-8 секунды, и "удерживать" их потребуетсятолько в течение этого времени. Столкновения могут повторяться с частотой107-108 Гц, что будет означать практически непрерывноегорение реакции.Важнейшее отличие метода встречных пучков от магнитного удержания втом, что размер ускорителя не играет принципиальной роли для достиженияусловий синтеза. Минимальный размер экспериментальной установки будет определятьсятолько размерами источника ионов с требуемой энергией. А они невелики:источник ионов на несколько сот килоэлектрон вольт, применяемый в промышленности(например, для ионной имплантации полупроводников), занимает площадь неболее 10 м2 и стоит несколько тысяч долларов. В "нулевом" экспериментепо ядерному синтезу размеры коллайдера (объема, где сталкиваются пучки)могут быть очень малы. Например, при его длине 2 см и диаметре 0,4 см ожидаетсявыделение 25 Вт тепла, то есть удельная мощность установки оказывается108 Вт/м3 (примерно как у двигателя внутреннего сгорания).Достижение таких параметров и будет означать физическое решение проблемыуправляемого термоядерного синтеза. Получение требуемых мощностей - вопросуже чисто технический. Рабочий объем реактора, скажем, может содержатьнеобходимое количество коллайдеров -"термоядерных ТВЭЛов", тепловыделяющихэлементов.Подобные предложения неоднократно высказывались в научной литературе,однако до исследований, к сожалению, дело так и не дошло. Между тем онипредполагают простую экспериментальную проверку, причем на небольшом инедорогом лабораторном стенде.
Многие физико-технические проблемы такого эксперимента уже решены.Оценки показывают, что затраты на проведение работ будут в 10-20 тысячраз меньше, чем на любые другие исследования в этой области. А в случаеудачи открывается возможность несравненно более простого решения проблемыуправляемого термоядерного синтеза, чем это обещают все те направления,которые разрабатываются в настоящее время.
Подробности для любознательных ПОДСЧИТАЕМ ЭНЕРГИЮ

Быстрая навигация: [зелзеленый луч над волгой] [кристалкристаллы в пылевой плазме] [в комв комету - как в яблочко] [черные дырычерные дыры] [истинный «кентавр»микромира] [на магистрална магистралях санкт-петербурга] [на ч а л о] [происшествиена орбите] [южный старт] [к дальним планетам] [трудныйвзлет решетчатых крыльев] [черныедыры вселенной] [квантовая механика. иной взгляд] [энергия из ниоткуда ] [..901008когданаступит XXI век?] [столкновениегалактик] [ппамяти с. е. кипниса] [какразвивалась инфракрасная астрономия] [песок сухой, влажный и звучащий] [обращение президиумаран] [архангельские алмазы] [платиновая семейка] [ангиогенин: враг или друг?] [новая жизнь старых пятиэтажек] [будет ли переворот в энергетике?]