Ефим Балабанов: Ядерные реакторы

Однако земля получает ничтожную часть энергии ядерных реакций, происходящих на Солнце. Еще меньшую часть полезно расходуем мы для наших нужд. И, безусловно, прав академик Несмеянов, когда он сказал в 1955 году на сессии Академии наук: «Настало время вместо использования жалких крох консервированной в том или ином виде на нашей планете колоссальной энергии Солнца создать свое Солнце на земле». Не правда ли, это звучит как фантазия? Но мы не привыкли слышать из уст выдающегося ученого, президента Академии наук, фантастические идеи. Разве фантазия электростанции, использующие ядерную энергию деления урана, двигатели на атомном горючем? Еще ближе мы подойдем к цели, когда сумеем получить управляемую термоядерную реакцию, подобную реакциям, идущим на нашем большом Солнце. Тогда мы действительно создадим свое Солнце на земле.

На этом пути ученым предстоит решить еще очень много трудных задач. Мы обладали до сих пор единственным средством, позволяющим получать температуру в миллионы градусов, необходимую для осуществления термоядерных реакций. Это — взрыв атомной бомбы. Она и применяется в качестве детонатора для термоядерного, водородного оружия. Но, конечно, невозможно применять для промышленных целей атомную бомбу. Поэтому прежде всего надо было найти возможность «зажигать» термоядерные реакции, не прибегая к атомному взрыву, то есть построить прибор, позволяющий получать температуру в миллион градусов.

Хотя наиболее выгодной ядерной реакцией является соединение ядер обычного водорода, но, к сожалению, осуществление термоядерной реакции на земле на таком горючем вряд ли возможно. Значительно проще осуществить термоядерные реакции на тяжелом водороде (дейтерии) и особенно легко — на сверхтяжелом водороде (тритии). Эти реакции уже используются в водородной бомбе.

Дейтерия на земле — огромные запасы. Он содержится в любой воде в небольшом количестве: примерно 0,015 процента к имеющемуся там водороду. Но ведь вода в земных океанах неисчерпаема. Было бы очень заманчивым использовать этот источник энергии в мирных целях. Быстрорастущие потребности человечества в энергии были бы обеспечены на миллиарды лет. Над этой проблемой работают многие ученые в различных странах. Исследования, проведенные советскими и зарубежными учеными в последние годы, показали, что имеются реальные пути к решению этой великой задачи.

Магнитный мешок.Для того чтобы нагреть водород до миллиона градусов, нужна небольшая энергия. Для одного грамма дейтерия это всего несколько киловатт-часов. Трудность заключается в том, что при таких температурах атомы и молекулы газов обладают огромными скоростями и разбегаются в разные стороны. Давление газа достигает миллионов атмосфер. Тепло переходит от дейтерия к окружающему веществу, к стенкам сосуда, в котором происходит это нагревание. Естественно, что в этом случае мы уже будем затрачивать огромную энергию на нагревание сосуда. Нагреть нам дейтерий так не удастся. Да и какой сосуд выдержит температуру в миллионы градусов и давление в миллионы атмосфер? Надо было придумать такую термоизоляцию, которая дала бы возможность стенкам сосуда оставаться холодными в то время, когда газ в сосуде имеет температуру в миллионы градусов. Кроме того, нужно, чтобы давление на стенки сосуда не было бы слишком высоким. Казалось бы, что эта задача неразрешима. Но решение было найдено.

Нагретый до миллионов градусов газ уже не является обычным веществом. Он состоит из движущихся отдельно друг от друга заряженных частиц: положительных атомных ядер и отрицательных электронов. Этот газ называется плазмой. Задача заключается в том, чтобы удержать заряженные частицы вместе, так как при их разлете, естественно, будет уходить энергия, заключенная в объеме газа.

В 1950 году академики И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров сделали очень интересное предложение о применении магнитного поля для термоизоляции плазмы высокой температуры. Дело в том, что в магнитном поле заряженные частицы не могут двигаться прямолинейно, а заворачиваются по окружностям. Чем больше магнитное поле, тем по меньшей окружности двигаются ионы и электроны. Правда, при столкновении друг с другом они будут перемещаться, но уйдут не дальше, чем на длину радиуса окружности. При сильном магнитном поле потеря энергии плазмой за счет движения частиц должна уменьшаться в десятки и сотни тысяч раз. Заряженные частицы нагретой до миллионов градусов плазмы будут как бы находиться в магнитном мешке. Однако стенки этого мешка, образованные магнитным полем, уже не боятся сверхвысоких температур.