Александр Проценко - Энергия будущего

Но дальше нас ожидает награда за ранее понесенные потери. За счет термоядерного синтеза выделятся 10 киловатт-часов. Преобразуя эту тепловую энергию в электрическую, мы получим 4 киловатт-часа. Отдав из них 1 киловатт-час на новую вспышку лазера, мы получим 3 киловатт-часа полезной электроэнергии.

Если ежесекундно проводить около ста таких вспышек, то мы получим термоядерную электростанцию с лазерным реактором мощностью в миллион киловатт!

Нет легких побед

По сравнению с термоядерным реактором с магнитным удержанием плазмы лазерный реактор имеет ряд неоспоримых преимуществ. Послушаем, что о них говорят энтузиасты этого направления.

В отличие от «баранки» Токамака лазерный реактор имеет простую сферическую геометрию, что важно при его эксплуатации и замене оборудования.

Отказ от магнитного удержания плазмы уменьшает затраты на его изготовление и весьма упрощает конструкцию реактора.

Вакуум, необходимый для процесса, может быть вполне умеренным.

В лазерном реакторе легко контролируется средняя выходная мощность.

Различные компоненты всей установки могут быть сконструированы и испытаны независимо от самого реактора.

Это говорит о том, что лазеры и система ввода шариков могут быть разработаны отдельно, а осуществимость самой реакции проверена с помощью одиночных вспышек в реакторе малой мощности.

Лазерные термоядерные установки — многообещающий источник энергии реактивных двигателей космических кораблей.

В будущем при повышении энергии лазеров можно надеяться на осуществление реакции дейтерий — дейтерий.

Тогда отпадет необходимость в тритии.

А где-то в очень далекой перспективе мыслится и такое завлекательное топливо, как бороводород, которое при сгорании дает только три атома гелия при полном отсутствии нейтронов. Правда, переход к такому горючему станет возможным только при повышении лазерного импульса в 100 раз по сравнению с еще недостигнутой величиной, которая нужна для реакции дейтерия с тритием.

Однако пора, по-видимому, прервать перечисление достоинств лазерного термоядерного синтеза, чтобы не впасть в сверхоптимистическое состояние. Настал момент вспомнить о том, что пока еще лазерный термоядерный синтез находится в самом начале развития и проблем, которые нужно решать, не меньше, чем уже решенных.

К сожалению, сейчас нет таких лазерных установок, которые удовлетворяли бы всем необходимым условиям.

Мала энергия импульса. Используемые при экспериментах лазеры с неодимовым стеклом имеют очень низкий коэффициент полезного действия, всего около 0,3 процента, а нужно 10–15. Предельная частота импульсов таких лазеров всего один в секунду, а нужно 10, еще лучше 100.

Лучшими характеристиками будут обладать лазеры с углекислым газом.

У них более высокая эффективность работы, и они чаще могут создавать импульсы. Однако не подходят их слишком длинные волны, из-за чего возникают значительные трудности при разработке оптических элементов и фокусировке.

Как и в любом другом усилителе, на выходе лазера всегда присутствуют шумы — излучение из-за самопроизвольного высвечивания атомов. Пока нет основного импульса, это излучение в течение одной десятой или сотой доли секунды действует на шарик-мишень. Чтобы под действием этого «фона» он не испарился, не дождавшись основного импульса, нужно, чтобы величина фона была слабее импульса в сотни миллиардов раз (!).

Еще неясно, каким путем достичь такой контрастности фона и основного импульса. А ведь нужно еще бороться с отраженным лучом лазера, с неоднородностью освещенности и обеспечивать синхронность импульсов всех каналов.

Обратимся теперь к камере реактора, на корпус которой при микровзрыве мишени обрушивается поток рентгеновского излучения, нейтронов и горячей плазмы.

Давление взрыва, эквивалентного энергии одного килограмма тринитротолуола, при радиусе камеры в полметра составляет около 100 атмосфер. Это, кажется, не очень страшно — ведь можно увеличить ее размер.

Но все же потоки нейтронов и рентгеновского излучения могут приводить к повреждению стенок. Только за год работы камера должна выдержать несколько миллиардов взрывов.

Обеспечить это довольно трудно. Однако можно защитить стенки жидким испаряющимся литием, который будет и поглотителем нейтронов, и поставщиком трития.

К сожалению, при этом возникает новая проблема.

Ведь в камере после каждого микровзрыва нужно очень быстро создавать вакуум. Это трудно сделать даже при сухих стенках, а если они влажные, то на откачку камеры после каждого микровзрыва потребуется около секунды. А нужно, чтобы каждую секунду происходил не один взрыв, а десять, сто! Есть из этого затруднения какой-либо выход? Пока есть не очень выгодный вариант: вспышки лазера направлять не в одну, а в десять или сто камер. В этом случае конструкция существенно усложняется, а реактор удорожается. Вопросы экономики для лазерного реактора также одно 1–3 слабых мест. Чтобы получаемая энергия была достаточно дешевой, на один импульс лазера и один шарик-мишень можно истратить только несколько тысячных долей копейки. Сейчас они стоят в десятки тысяч раз дороже.

Теперь, пожалуй, пора прервать перечисление недостатков и требований, чтобы не впасть в черный пессимизм. Трудностей впереди еще много. Но давайте оглянемся, и мы увидим, сколько позади, казалось бы, таких непреодолимых трудностей! Сколько было моментов, когда казалось, что работу лучше прекратить. И все же исследование и поиск продолжались и находились новые, порой неожиданные решения этой труднейшей задачи.

ТОКАМАКИ ВПЕРЕДИ

Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной.

После экспериментов, проведенных с импульсными разрядами, стало ясно, что получение термоядерной реакции в таких системах неперспективно. Проблему нельзя было взять прямой лобовой атакой. Мечту о быстром овладении термоядерной энергией пришлось отложить. Исследования по магнитному удержанию плазмы на многие годы перешли в русло физических исследований ее свойств в различных конфигурациях магнитного поля.

Несколько лет спустя академик Л. Арцимович так говорил об этом периоде: «И все же вряд ли могут быть какие-нибудь сомнения в том, что проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена. Неизвестно только, насколько затянется наше пребывание в „чистилище“. Из него мы должны будем выйти… неся в руках спокойную, устойчивую высокотемпературную плазму, чистую как мысль физика-теоретика, когда она еще не запятнана соприкосновением с экспериментальными фактами».

Физики перешли к планомерной осаде термоядерной крепости. Как из рога изобилия посыпались различные предложения по новым методам решения проблемы, методам изучения физики плазмы. Изобилие требовало отсеять идеи малоперспективные и выбрать самые интересные.

С этой целью И. Курчатов в 1955 году собрал в Институте атомной энергии историческое для физиков-термоядерщиков совещание, на котором были оценены результаты четырехлетней работы и обсуждены перспективные направления.

Для очень многих участников этого совещания сообщения ученых о работах по управляемым термоядерным реакциям были подлинным сюрпризом. Мало кто ожидал, что исследования ведутся с такой широтой и размахом. И. Курчатов был одним из первых, сумевших оценить и понять объем и круг предстоящих исследований: он неоднократно подчеркивал необходимость широкого развертывания работ в других институтах и их открытых обсуждений. «Надо не засекречивать эти работы, — настаивал он, — а развивать международное сотрудничество».

Сенсация в Лондоне

В апреле 1956 года в газетах Англии, США и Франции запестрели заголовки: «Работы по термоядерному синтезу раскрыты!», «Русские впереди!», «Курчатов раскрыл секреты!»

На этот раз эти сенсационные газетные заявления не были беспочвенными. В английском атомном центре Харуэлле И. Курчатов сделал научный доклад о проведенных в СССР исследованиях импульсных разрядов в прямых трубах. Причем это было не тривиальное сообщение общего характера о том, что в СССР, мол, ведутся такие-то работы. Нет, это был действительно обстоятельный научный доклад с результатами экспериментальных исследований, их обсуждением и анализом.

Вернувшись тогда из Англии, И. Курчатов занялся налаживанием международных научно-технических связей. Были полностью рассекречены работы по термоядерному синтезу в возглавляемой им лаборатории № 2, которая с того времени получила современное название — Институт атомной энергии. Но ученые США и Англии отреагировали не сразу.