Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Ядерный синтез

Член-корреспондент АН СССР В. С. Емельянов, председатель Государственного Комитета Совета Министров СССР по использованию атомной энергии

Менее четверти века понадобилось человечеству, чтобы научиться расщеплять тяжелые ядра атомов урана и использовать таящуюся в них силу. Уже дают ток первые атомные электростанции, совершил свой первый рейс по Северному морскому пути советский атомный ледокол "Ленин". Получен мощный источник энергии, и сейчас его практическому применению уделяется все большее и большее внимание. Возможность использования огромных ресурсов внутриядерной энергии открыла в наше время новые перспективы развития общественного производства. В ближайшие годы, несомненно, будут непрерывно возрастать масштабы использования энергии деления.

Пульт управления установкой «Огра».
Часть установки «Огра». на этой установке проводятся физические исследования свойств плазмы.
Одна из магнитных ловушек, исследуемых в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова. Виден соленоид, внутри которого находится камера. Ионы водорода, введенные в эту камеру, удерживаются магнитными полями специальной формы. Создана теория движения частиц в такой ловушке, исследована неустойчивость плазменных движений, ведутся работы по ее устранению.
Физики установили, что плазму молено разогревать с помощью магнитных волн. На снимке показана опытная установка для изучения этого явления.
Схема ловушки с магнитными пробками для накопления быстрых ионов: 1 - источник плазмы. 2 - плазменный пучок. 3 - область сильного электрического поля. 4 - область движения быстрых ионов.
В кольцевых установках приходится бороться с дрейфом частиц плазмы, ю есть сносом их к стенкам реактора. На рисунке изображена схема ловушки с ограниченным дрейфом.
Магнитная ловушка с так называемыми встречными магнитными полями. Расчеты показывают, что такая ловушка должна достаточно долго удерживать плазму в устойчивом состоянии.

Однако творческая научная мысль видит дальнейшие перспективы роста энергетических ресурсов с помощью совершенно новых методов. Они обладают еще большими преимуществами, чем использование энергии деления. Большие надежды ученые возлагают на термоядерный синтез, то есть получение энергии за счет соединения ядер изотопов водорода-дейтерия, трития.

Запасы урана в земной коре небезграничны, а богатых им руд не так много. И хотя расщепляющегося сырья, по расчетам геологов, хватит на сотни лет, хотя сейчас возможно перерабатывать руды с очень низким содержанием урана, все же кардинально решить проблему обеспечения энергией всего населения земного шара этими путями трудно.

Но не только эти соображения вызывают тревогу за будущее атомной энергетики. Использование процессов деления связано с необходимостью удалять радиоактивные отходы.

В настоящее время проблема удаления радиоактивных отходов является одной из труднейших. При строительстве большого количества атомных электростанций она станет еще более трудной. Этой проблемы не возникает при осуществлении реакции ядерного синтеза, потому что продукты такой реакции устойчивы.

Дейтерий, необходимый для ядерного синтеза, присутствует в воде любого водоема. На каждые 6 тысяч атомов водорода в природной воде приходится один атом дейтерия - тяжелого водорода. Воды мирового океана содержат такое количество дейтерия, что им можно полностью обеспечить любые потребности в энергии всего населения земного шара на необозримое число лет.

Как можно осуществить слияние ядер дейтерия? Эти ядра несут положительный электрический заряд. Как и все одноименно заряженные частицы, они отталкиваются, и для их слияния необходимо преодолеть огромные силы.

Практическая возможность ядерного синтеза доказана созданием водородной бомбы. Но там термоядерная реакция проходит мгновенно и не регулируется. Для соединения ядер дейтерия используется сила взрыва урановой или плутониевой бомбы, которая служит своеобразной "спичкой", поджигающей термоядерное "горючее". Неуправляемый процесс деления тяжелых ядер дает начало неуправляемому процессу синтеза легких ядер.

Но можно ли создать управляемый процесс синтеза? Что необходимо сделать, чтобы регулировать скорость течения такой реакции? Для этого нужно сообщить ядрам дейтерия энергию, достаточную для преодоления сил отталкивания, и поддерживать

Часть установки "Огра". На этой установке проводятся физические исследования свойств плазмы.

такие условия в течение определенного времени. Установлено, что синтез ядер водорода требует наименьшей энергии.

Теоретически синтез может начаться при энергии сталкивающихся частиц приблизительно 100 электронвольт или, другими словами, при нагреве их до 1 млн. градусов. Но практически для обеспечения непрерывности процесса необходимо поднять температуру примерно до 200 млн. градусов. Как это сделать? При создании материала, стойкого при температурах более 2 000°, уже встречаются значительные трудности. Самый огнеупорный материал - графит - испаряется при температуре, меньшей 4 000°.

Ясно, что надо создавать такие условия, при которых нагретые до высокой температуры ядра дейтерия не касались бы стенок сосуда, в котором протекает реакция, и не передавали бы своей энергии в окружающую среду через посторонние, не участвующие в реакции атомы. Для этого необходимо вначале создать глубокий вакуум, доведя число "чужих" атомов до ничтожного количества. Затем надо ядра дейтерия "подвесить" в вакууме так, чтобы они не касались стенок сосуда.

Нагретые атомы можно пытаться удержать в подвешенном состоянии с помощью магнитного поля. Но ведь атом тяжелого водорода - дейтерия - частица нейтральная. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электрона. Поэтому дейтерий в магнитном поле удержать нельзя. Значит, надо вначале его ионизировать, то есть оторвать электроны от ядер. Полученная "смесь" не связанных между собой ядер и электронов носит название плазмы.

Плазма - это особое состояние вещества, при котором электроны, оторванные от "своих" ядер, и "оголенные" ядра находятся в беспорядочном движении, не образуя обычных атомных систем. В обычном состоянии любое вещество является электрически нейтральным, так как заряды атомного ядра и электронной оболочки взаимно компенсированы. В плазме ядра и электроны сосуществуют самостоятельно, она нейтральна только в среднем, и на ее составные части можно воздействовать магнитным и электрическим полями, как на любое электрически заряженное тело. Иными словами, веществом в состоянии плазмы можно управлять. Можно сорвать электроны с оболочек, "раздеть" ядра тяжелого водорода, привести в движение полученную смесь и, сжимая магнитным полем, придать ей форму "шнура", висящего в вакууме.

В процессе разогрева плазмы движение ядер ускоряется. Те из них, что приобретут энергию, достаточную для преодоления сил отталкивания, будут сливаться, образуя ядра гелия или трития. Количество актов синтеза будет расти с увеличением температуры нагрева и длительности "жизни" плазменного "шнура". Чем дольше будет удерживаться плазма магнитным полем, тем больше вероятность слияния ядер. Вероятность процессов синтеза также возрастает вместе с ростом плотности плазмы. Повышая количество ядер дейтерия в единице объема, мы увеличиваем вероятность их слияния.

Таким образом, для осуществления благоприятных условий ядерного синтеза необходимо создать условия разогрева плазмы до температуры в десятки или сотни миллионов градусов, добиться длительного существования плазменного "шнура" и, наконец, иметь высокую плотность плазмы.

Какие же существуют пути решения этой проблемы? Для работ по ядерному синтезу, которые в настоящее время широко проводятся во многих странах, и в особенности в Советском Союзе и США, используются разного типа физические установки. Их можно разбить на две основные группы. В одних вакуумное пространство, где создается плазма, представляет собой кольцевую замкнутую камеру. Такая камера может быть свернута восьмеркой.

рис

Одна из магнитных ловушек, исследуемых в Институте атомной энергии имени И. В Курчатова. Виден соленоид, внутри которого находится камера. Ионы водорода, введенные в эту камеру, удерживаются магнитными полями специальной формы. Создана теория движения частиц в такой ловушке, исследована неустойчивость плазменных движений, ведутся работы по ее устранению.

В других установках вакуумное пространство заключено в трубу, помещенную в продольное магнитное поле. У концов трубы поле усиливается, образуя так называемые магнитные пробки. Плазма находится во взвешенном состоянии в такой трубе.

Проблема овладения ядерным синтезом - одна из важнейших и труднейших проблем современной науки и техники. Она ставит перед физиками много совершенно новых сложных задач. Не обходит эта проблема и техников. Требуется изыскать новые материалы для установок, создать конструкции многих новых физических аппаратов и приборов, овладеть техникой получения высокого вакуума и мощных магнитных полей. Для экспериментирования с плазмой прежде всего нужно знать все свойства вещества в этом состоянии. В физике появляется новый раздел - физика плазмы.

Необходимо разработать методы и технику нагрева плазмы до сотен миллионов градусов. Пока никому не удавалось достичь таких высоких температур. Только в 1960 году пришло известие, что на очень короткое время, измеряемое микросекундами, одному американскому ученому удалось поднять температуру плазмы до 35 млн. градусов.

А как измерять такие температуры? Измерение температуры до 5-6 тыс. градусов уже представляет значительные трудности. Надо найти способы измерения температур до многих миллионов градусов и создать необходимые приборы.

В Советском Союзе работы по изучению процесса управляемого термоядерного синтеза ведутся широким фронтом. Значительная часть исследований сосредоточена в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова АН СССР, где работы ведутся под руководством академика Л. А. Арцимовича. Руководящая роль в разработке теоретических вопросов принадлежит академику М. А. Леонтовичу. Важные исследования проводятся в Физико-техническом институте в Ленинграде, Украинском физико-техническом институте, Физико-техническом институте АН Грузинской ССР, отдельные вопросы изучают физики Московского университета.

Рис Схема ловушки с магнитными пробками для накопления быстрых ионов 1 - источник плазмы. 2 - плазменный пучок, 3 - область сильного электрического поля, 4 - область движения быстрых ионов.

Рис Физики установили, что плазму можно разогревать с помощью магнитных волн. На снимке показана опытная установка для изучения этого явления.

Рис В кольцевых установках приходится бороться с дрейфом частиц плазмы, то есть сносом их к стенкам реактора На рисунке изображена схема ловушки с ограниченным дрейфом.

Для проведения исследований построено несколько крупных термоядерных установок различных типов. Например, в Ленинградском физико-техническом институте под руководством академика Б. П. Константинова ведутся исследования на тороидальной установке "Альфа". Самой крупной является термоядерная установка "Огра" с магнитными пробками. Работы на ней ведутся в Институте атомной энергии под руководством И. Н. Головина.

Названные работы, так же как и ряд других,- существенный вклад советских физиков в разработку проблемы термоядерного синтеза. Как известно, первое широкое обсуждение этой проблемы происходило на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии в 1958 году. С тех пор советские физики принимали участие во многих международных конференциях и совещаниях. Повсюду доклады и сообщения советских ученых об исследованиях в области термоядерного синтеза вызывали неизменный интерес.

На первой Женевской конференции в одной из лекций индийский ученый профессор X. Баба заявил, что для решения проблемы ядерного синтеза потребуется двадцать лет. В наше время трудно быть пророком и сказать, когда будут найдены практические пути использования термоядерной энергии. Но мы верим в то, что такие пути будут открыты и вопрос о недостаче энергии не будет никогда никого волновать.

Читайте в любое время

Другие статьи из рубрики «Архив»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее