Станислав Дмитриевич Захаров
Игорь Иванович Тугов
Борис Ефимович Явелов
ФИЗИКА НАШИХ ДНЕЙ
*** 1977 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Идея сферического сжатия и нагрева твердых мишеней кажется настолько привлекательной, что выдвигаются предложения использовать для тех же целей вместо лазерного излучения электронные или ионные пучки, получаемые на ускорителях.
Многие специалисты считают создание мегаджоуль-ных лазерных систем, необходимых для функционирования энергетических реакторов, проблемой трудно разрешимой. В то же время ускорительная технология уже показала возможность производить такую энергию в одном импульсе. Пересекающиеся накопительные кольца в Европейском ядериом центре ЦЕРН могут удерживать два ионных пучка с энергией 2 МДж каждый. На большой установке того же типа «Изабелла», создаваемой в. Бруквейне, в каждом кольце будет накапливаться ионный сгусток с общей энергией 20 МДж. Ускорительная технология и лазерная технология могли бы дополнять друг друга. В ближайшее время завершаемые большие лазерные установки продемонстрируют, по-видимому, возможность термоядерного синтеза в процессах сферического сжатия и нагрева твердых мишеней. Крупные ускорители после этого смогли бы вьи полнить функции источника существенно большей энергии, необходимой для практического производства электроэнергии. Реактор высокой эффективности потребует либо 10 МДж в каждом ионном импульсе, следующем друг за другом через 1 с, либо 1 МДж, но через 0,1 с. Ускоритель обычно дает много импульсов в секунду и имеет коэффициент превращения электрической энергии в ионную от 1 до 10%. Например, Стэнфордский линейный ус-, коритель длиной более 3 км имеет КПД, равный 5%. Обычный же темп лазерных вспышек на установках с использованием в качестве активной среды неодимового стекла составляет пока несколько раз в день. Их КПД— лишь 0,1%. Чтобы получить 1 МДж, потребовались бы не десятки, а тысячи лазерных каналов. Основным препятствием на пути реализации управляемого термоядерного синтеза с помощью ускорителей является то, что такая идея требует ускорения тяжелых ионов, т. е. ионов с массой от иода-127 до урана-238. У ускорительщиков нет опыта получения пучков таких ионов с энергией во -много FaB и интенсивными токами. Тяжелые ионы обладают громадным преимуществом по сравнению с протонами и электронами с точки зрения плазменного нагрева. Они имеют малый пробег в веществе (например, доли мм для ионов урана) и поэтому будут выделять свою энергию вблизи поверхности мишени без прогрева сердцевины. Следовательно, будет достигнута высокая степень сжатия, и потребуется «под; жечь» лишь малую долю дейтерий-тритиевой смеси для осуществления режима термоядерной детонации. Выигрыш получается потому, что сжатие требует меньшей энергии, чем термоядерный нагрев. И «горит» сжатое термоядерное топливо значительно интенсивнее. Расчеты показывают, что только с использованием всех возможностей метода импульсного сжатия и нагрева может быть построен экономичный энергетический реактор. Однако на пути применения ионных пучков имеется й ряд трудностей. Во-первых, это получение 1015 ионов за короткое время 10-8 с, тогда как сейчас ускорители работают в миллисекундном и, много реже, в микросекундном диапазоне длительностей импульса,- Одним из возможных направлений решения этой проблемы было бы получение мощных пучков за относительно длинные времена, а затем их временное сжатие примерно в миллион раз в короткий интенсивный сгусток. Кроме того, не существует пока интенсивных источников тяжелых ионов, способных давать необходимые токи порядка 10 кА. В этом направлении технику еще предстоит значительно развивать. Наконец, многозарядные ионы очень энергично рекомбинируют (присоединяют электроны) при столкновениях с атомами остаточного газа. Рекомбинация будет приводит к уменьшению заряда иона и, следовательно,, к выводу его из режима ускорения и из пучка. Чтобы избежать этого, в накопительных кольцах вакуум должен быть не менее 10 —10-12 тор. Для линейных ускорителей, где пучок проходит свой путь однократно, требования к вакууму несколько смягчаются: здесь необходимо 10-7 тор. Задача получения интенсивных источников ионов, возможно, может быть решена с помощью импульсной диодной техники. На таком принципе построена в США мощная установка «Аврора», предназначенная для полу- чення электронных пучков. сАврора» производит импульс электронов с общей энергией 2 МДж и пиковой мощностью 10,э Вт. Недавно показано, что диоды можно использовать и как источники интенсивных ионных пучков с целью последующего их разгона в линейных ускорителях или даже, возможно, непосредственно для ядерного синтеза. Недостатком большинства ионных диодных машин для использования в схемах инерциального термоядерного синтеза является то, что фокальная длина диода очень коротка — менее 1 м. Поэтому пучок нельзя сфокусировать на мишень из точки вне вакуумной камеры, где происходит синтез. Этого недостатка лишен метод коллективного ускорения ионов, предложенный известным советским физиком академиком Векслером. Он состоит в том, что в ускоряющей трубке образуется интенсивный пучок релятивистских электронов, замкнутых в кольцо. Такое кольцо будет движущейся электромагнитной ловушкой для положительных ионов. Захваченные ионы будут выравнивать свою скорость с электронами за счет сил электрического трения и, поскольку их масса намного больше электрон ной, набирать энергию. Наиболее удивительным заключением, которое сделано в результате предварительного исследования проблемы ионного инерциального сжатия, является следующее. На все важные для термоядерного синтеза вопросы можно будет ответить, (утвердительно либо отрицательно) с помощью относительно малого числа экспериментов. Оценки показывают, что необходимо от 100 до 200 человеко-лет, чтобы определить осуществимость ионного инерциального сжатия. Конечно, подразумевается, что в финансовых средствах при этом недостатка не будет. По мнению ряда зарубежных ученых такая программа может потребовать от 500 млн. до 1 млрд. долл., т. е. приблизительно ту же сумму, что и для лазерного синтеза. Поэтому преимущества применения в ядерном синтезе тяжелых ионов перед лазерами с этой точки зрения кажутся несущественными. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В небольшой книжке, конечно, невозможно осветить все важные проблемы, которыми занимается сейчас физика. Можно только получить представление о характере этих проблем. Тут и новые фундаментальные идеи, и эксперименты, и разработка важнейших народнохозяйственных проблем, и экономические расчеты. Это — сложнейший разветвленный механизм получения и использования новых знаний о природе. В настоящее время физическая наука насчитывает по крайней мере 14 крупных направлений. Там и здесь на стыках разных наук образуются новые области исследований. Химфизика, биофизика, геофизика, астрофизика не только оформились самостоятельно, но и сами обзаводятся собственным потомством. Каждое из научных направлений энергично разрабатывается вглубь, выявляются и выясняются мельчайшие детали, которые рано или поздно находят себе применение в практике. Однако все острее ощущается оборотная сторона такого дробления: специалисты, работающие в разных областях, все хуже понимают друг друга хотя бы из-за массы специфических терминов, привычных одним и незнакомых другим. Такая тенденция неприятна тем, что затрудняет естественный процесс перелива идей и методов из одной области в другую. Следствием этого в недалеком будущем может оказаться замедление прогресса научных, знаний, а затем и снижение темпов ро: ста производства. Даже беглого знакомства с историей науки достаточно, чтобы понять, что период детального изучения человеком явлений природы неминуемо сменяется этапом обобщений, за анализом следует синтез. Конечно, такая закономерность не проявляется однозначно, а проклады- вает себе путь сквозь дебри различных отклонений и переплетений. Своеобразие современного этапа — в необходимости серьезных обобщений, «свертки» информации с целью экономии творческих сил и ускорения исследований, хотя каких-либо серьезных противоречий между различными областями знаний пока не видно. Производство — главная движущая сила такого объединения — уже реагирует на такую ситуацию. Это проявляется в организации в нашей стране крупных научно-производственных объединений, в разработке Академией наук СССР совместно с министерствами и ведомствами комплексных научных программ. Большое значение приобретает и взаимная информация. В этом отношении следует обратить внимание на инициативу сотрудников Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР, предложивших провести обсуждение актуальных п]роблем современной физики между ведущими учеными и научной молодежью. Такая встреча вызвала большой интерес как известных специалистов, так и начинающих научных сотрудников, приехавших на нее со всех концов Союза. От многочисленных конференций и специализированных симпозиумов она отличалась комплексным обзорным характером обсуждаемых проблем. Программа встречи, состоявшейся в 1976 г. в Ростове-Великом, была детально обсуждена с президентом АН СССР академиком А. П. Александровым, а ее организацией руководил заведующий отделом ЦК ВЛКСМ И. А. Зудов. В качестве докладчиков выступили академики Н. Г. Басов, Е. П. Велихов, В. Л. Гинзбург, Б. Б. Кадомцев, М. В. Новоселова, А. М. Прохоров, Н. М. Эммануель и ряд других известных ученых — специалистов в физике и смежных науках. Ростовская школа с успехом содействовала достижению важной цели — ориентировать научную молодежь в основных проблемах, стоящих перед советской наукой как в связи с внутренней логикой ее развития, так и под углом зрения ближайших задач, поставленных XXV съездом партии. Если тем же целям послужит и эта книжка, то авторы будут считать свою задачу выполненной. Предисловие Честь I. Общность несхожего (Фундамен-тельные проблемы физики и физика конденсированного состояния) Часть II. Хроника звездных часов эксперимента (Квантовая электроника — физике когерентных излучений) Часть III. Битва за энергию (История энергетических источников и перспективы их развития) |
