Александр Проценко - Энергия будущего
Сто миллиардов атмосфер! Сопоставим эту величину с привычными мерками. Всяческими механическими ухищрениями или детонацией взрывчатых веществ достигают только около миллиона атмосфер. За счет сферического взрывного обжатия можно это давление увеличить еще примерно в 10 раз.
Собственно лазерное излучение создает на поверхности шарика огромное давление в 100 миллионов атмосфер! Но этого еще мало! Нужно больше. Необходимое давление получается "автоматически": при взаимодействии луча лазера с поверхностью шарика вещество поверхности шарика взрывается и начинает разлетаться, создавая импульс давления, направленный внутрь шарика, то есть сжимает шарик. Этот импульс гораздо больше того, что создается самим лучом. Те, кто интересовался работой реактивных двигателей, знают, что при равной мощности двигатель с материальным рабочим телом, например водородом, создает большую тягу (то есть давление), чем фотонный (световой). Значит, сжатие шарика, создаваемое реактивным действием плазменной струи испаряющегося вещества, больше, чем действие лазерного луча. Вследствие этого эффекта давление светового луча на поверхности шарика увеличивается еще в 100 раз. Наконец оно может возрасти почти на столько же за счет применения взрывного обжатия шарика.
В конечном счете лазер может создать в шарике из топлива давление, сравнимое с давлением в центре Солнца.
Существует, однако, на этом пути серьезное препятствие. Если пытаться брать данную крепость, что называется, "в лоб", одним ударом лазерного луча, то почти ничего не получится, так как плотность шарика увеличится всего в несколько десятков раз. Ее возрастанию помешает быстрый нагрев шарика, а с ростом его температуры станет расти его внутреннее давление (или упругость). А это будет препятствовать дальнейшему сжатию, и разогретый шарик, не успев как следует сжаться, начнет расширяться. В противовес этому было предложено не простое, а "безударное адиабатическое"
сжатие.
Приближенно его можно осуществить, если, меняя во времени мощность лазерного луча, произвести вначале обжатие шарика медленное, чтобы скорость сжатия на начальном этапе была меньше скорости звука в шарике и в нем не создавались бы ударные волны. Отсюда "безударное" сжатие, то есть отсутствие ударных волн, которые в противном случае, уходя вперед от фронта сжатия, разогревали бы шарик. Так как они не возникают почти до конца сжатия, то шарик не разогревается, поскольку в него не вносится тепло (адиабатическое сжатие). Затем на последнем этапе можно сильно увеличить мощность луча и разогреть шарик. При таком сжатии плотность в нем ядер возрастет в несколько тысяч раз и сможет достичь 1000-2000 граммов на кубический сантиметр.
Такая плотность в шарике из дейтериево-тритиевой смеси существенно меняет характер протекания термоядерной реакции. Поскольку количество ядер в единице объема возрастет, они начнут сталкиваться, как говорится, на каждом шагу. При увеличении плотности вещества в десять тысяч раз, в сто миллионов раз возрастет скорость термоядерной реакции, которая зависит от квадрата плотности вещества. А это означает, что за то время, пока шарик удерживается инерциальными силами, успевает сгореть большое количество термоядерного топлива даже при меньшей температуре разогрева. Выделившаяся при этом энергия во много раз превысит энергию лазерного луча, затраченную на разогрев и сжатие шарика.
Так, используя очень небольшую часть энергии лазера на уплотнение шарика, можно создать гораздо лучшие условия для осуществления термоядерной реакции, то есть значительно снизить требования к величине энергии, которую должен дать лазер для возбуждения термоядерной реакции.
Вспомните, если ранее в случае чисто теплового нагрева (без сверхсжатия) энергия, передаваемая лазером в импульсе, должна была находиться в интервале 30-300 киловатт-часов, то, воспользовавшись сверхсжатием, можно уменьшить ее в тысячу раз.
Задача существенно упростилась. Передача в концентрированном виде такой энергии с помощью системы лазерных устройств - это уже технически разрешимая проблема.
Есть термоядерные нейтроны!
В начале 60-х годов после создания лазеров и проведения первых теоретических исследований по их применению для термоядерного синтеза была начата подготовка к проведению экспериментов.
Многие формулы, схемы, чертежи требовали проверки на реальных физических моделях. Однако целесообразность развертывания работ по термоядерному синтезу, даже экспериментальных, вызывала сомнения и различное отношение. Скажем, специалисты Ливерморской лаборатории (США) считали, что полученные теоретические результаты по сжатию мишеней обнадеживающи, работы по ним следует продолжать Ученые же Лос-Аламосской лаборатории (США) утверждали, что лазерная техника не соответствует еще уровню, при котором было бы целесообразно положение работ и постановка экспериментов по лазерному термоядерному синтезу.
Расчеты Н. Басова и О. Крохина (Физический институт АН СССР - ФИАН) таковы, что будто бы подтверждают принципиальную возможность нагрева плазмы до термоядерных температур при облучении твердой мишени лазером.
Эти точки зрения разных физических коллективов сейчас мы можем сопоставить, а тогда они не были вза имоизвестны. Только опубликование в 1964 году статьи Н. Басова и О. Крохина о возможности достижения термоядерных температур с помощью лазеров положило начало программе работ в этом направлении во многие странах и дало им мощный толчок.
К этому времени на территории ФИАНа в двухэтажном кирпичном здании, получившем название лазерного павильона, был подготовлен к работе в те годы самый мощный в мире лазер с энергией около 0,01 ватт-часа (40 джоулей) и длительностью импульса 2,5 -10^-9 секунды.
Группа молодых физиков института надеялась, применив его для облучения газообразного дейтерия, получить термоядерные нейтроны - доказательство осуществления термоядерной реакции. Уж очень велико было их желание первыми получить термоядерные нейтроны. И это желание понятно. Ведь в основном поело статьи Н. Басова и О. Крохина в эксперименты по проблеме начали включаться многие исследовательские лаборатории США, Франции, ФРГ, Японии. И было бы очень отрадно, если бы и первые успешные результаты были бы получены самими авторами предложенного эксперимента.
Из работ академика А. Прохорова и профессора П. Пашинина было известно, что при искровом пробое газа лазерным лучом и его ионизации можно нагреть электроны плазмы примерно до 10 миллионов градусов.
Во многом история этого первого эксперимента напоминает историю с ложными нейтронами в опытах по самосжатому разряду.
Вот схема эксперимента в ФИАНе. Рядом с камерой с газообразным дейтерием, в которую направлялся луч лазера, размещался счетчик нейтронов. В случае возникновения в камере термоядерной реакции рождался пучок нейтронов. Он и заставил бы счетчик срабатывать и зажигать лампочку на панели прибора.
При первом же опыте лампочка засветилась. Неужели появились нейтроны? Слишком легкой казалась эта победа. Начались проверочные опыты. Линзу лазера закрыли непрозрачным экраном так, чтобы после вспышки луч вообще не попадал в камеру с дейтерием. Эксперимент повторили, и лампочка снова зажглась. Все стало ясно: она включалась вовсе не потому, что появлялись термоядерные нейтроны, а в результате электромагнитных наводок. С ними пришлось вести упорную борьбу. Но они были ликвидированы. Физики вступили в длительный этап повторяющихся экспериментов. Вот как участник этих опытов описывает случай, имевший место во время исследований.
В одном из экспериментов лампочка сработала. Невзирая на позднее время сразу позвонили академику Л. Арцимовичу. Он и его сотрудник В. Коган проявляли неослабевающий интерес к попыткам лазерщиков освоить новую специальность и всячески помогали дружескими советами. Академик тотчас приехал, сел на стул и приковал свой взгляд к заветной лампочке.
Вспышки лазера следовали одна за другой, но аппаратура не проявляла признаков активности. Время перевалило уже за полночь. Но в павильоне горит свет, работают насосы, на стеклянных деталях вспыхивают отблески лазерного света. Лев Андреевич, уставший после напряженного двенадцатичасового рабочего дня, слегка задремал, сидя на с гуле. Потом, очнувшись, оценил обстановку и сказал: "Знаете, ребята, я пойду домой, а как только у вас что-нибудь получится, сразу звоните!
Обязательно звоните, в любое время ночи!"
Ему не позвонили ни в эту ночь, ни в следующую. Ожидаемый звонок прозвучал лишь через три года.
Уже в 1968 году в ФИАНе были зарегистрированы первые настоящие термоядерные нейтроны на мишени из дейтерида лития. Летом 1969 года в Лимейле (Франция) было получено от 100 до 1000 термоядерных нейтронов на импульс. В 1970 году подобные эксперименты были проведены в одной из лабораторий США, в Сандия. За последние годы в СССР и США были проведены эксперименты, в которых на один импульс получали от 107 до 109 нейтронов.
