Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Термоядерный «реактор» Солнца работает при температуре около 15 миллионов градусов. Такая температура слишком низка для плазмы будущего энергетически выгодного земного реактора. И вот по какой причине.

Электростатический барьер вокруг заряженного ядра дейтерия имеет высоту около 400–500 килоэлектрон-вольт. А температура в 15 миллионов градусов сообщает ядрам в среднем энергию всего лишь в 2 килоэлектрон-вольта. Большинство ядер без толку топчется друг около друга, и только редкие из них, те, кому перепала большая энергия, вступают в реакцию синтеза. Но солнечный реактор содержит такую огромную массу вещества, что даже при малой вероятности термоядерных реакций в не очень горячей плазме достаточно большое количество ядер участвует в реакции слияния.

В земных условиях осуществить это нельзя. В больших масштабах получать термоядерную энергию с помощью взрыва водородной бомбы можно, но нельзя же использовать взрыв в качестве источника энергии для мирной деятельности! Проблема освоения термоядерной энергии заключается в добывании ее небольшими порциями, пригодными для использования в энергетике и на транспорте.

Значит, при небольшой массе реагирующего вещества вся надежда возлагается только на температуру. Только увеличивая температуру плазмы, можно увеличить и вероятность термоядерных реакций. В разогретой до 100 миллионов градусов плазме ядра в среднем будут иметь энергию около 15 килоэлектрон-вольт, то есть еще во много раз меньше той, что необходима для преодоления силы электростатического отталкивания. И все-таки столь высокая температура обеспечивает возможность вступления в реакцию синтеза уже значительно большему количеству частиц.

Энергия, которую необходимо «накачать» в плазму для разжигания в ней интенсивных термоядерных реакций, относительно невелика. Но как дырявая велосипедная шина быстро теряет воздух, так же быстро теряет получаемую энергию и плазма, касаясь холодных стенок сосуда. Здесь и Прометей опустил бы руки. Ему просто не в чем было бы принести людям огонь из термоядерного костра.

В звездах огромные силы тяготения удерживают горячую плазму в центральной области и не дают ей расползтись и перемешаться с более холодными слоями. На Земле физикам предстояло создать в лаборатории такую звездную плазму и научиться удерживать ее некоторое время в нагретом состоянии.

«Проблема управляемого термоядерного синтеза по своей трудности оставляет позади все другие научно-технические проблемы, порожденные успехами естествознания в XX веке», — говорил академик Л. Арцимович.

Идея о том, что горячую плазму можно «удержать в руках» с помощью магнитного поля, возникла примерно четверть века назад. Плазма получается при достаточно сильном нагревании газа. Уже при температуре в несколько тысяч градусов начинают «рваться» электромагнитные узы, удерживающие электроны вокруг ядер, а при температуре в миллионы градусов практически все атомы распадаются на составные части. Любой, даже очень маленький, кусочек плазмы остается электрически нейтральным, но в ней хаотически движутся не нейтральные атомы, а одинаковое число положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. И те и другие частицы покорны магнитному полю, и поэтому казалось, что с его помощью легко управлять плазмой.

Сначала идея о магнитной термоизоляции плазмы была реализована в обычной разрядной трубке, в том самом приборе, в котором Дж. Дж. Томсон обнаружил электроны, оторванные от атомов в результате ионизации, и физики впервые в конце прошлого века получили вещество в четвертом состоянии. Через дейтериевый газ, находящийся в трубке, в течение миллионной доли секунды пропускали мощный электрический разряд. Ток, нагревая газ, создавал плазму, а магнитное поле тока отрывало ее от стенок и стягивало к оси трубки. Теперь плазма уже не касалась холодных стенок, и ее удавалось нагреть до миллиона градусов. Так впервые в лаборатории ученые получили вещество при температуре, равной температуре солнечной короны. Происходили при таком нагреве термоядерные реакции синтеза или нет?

Главный признак начала термоядерного слияния ядер — появление нейтронов. И при образовании ядер гелия из двух слипшихся дейтонов, и в реакции синтеза дейтона с ядром самого тяжелого изотопа водорода — трития обязательно рождаются нейтроны. Появления в горячей плазме этих нейтронов и ждали с нетерпением экспериментаторы.