Библиотечка «Квант»
Геннадий Степанович Воронов
Штурм термоядерной крепости
*** 1984 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
Распознавание фрагмента текста НЕУВЕРЕННОЕ. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие Глава I. ТЕРМОЯДЕРНАЯ ПРОБЛЕМА исслеДования ( 5 ). Как возникла проблема ( о ). Как устроено атомное ядро ( 8 ) Откугтя берется ядерная энергия? ( 8 ) Борьба с кулоновским отталкиванием (12 ). Что происходит на Солнце? (14 ) А в водородной бомбе? (15) От чего же зависит скорость плдамки! ( 17 ) ПУВДК плюс плазма (18). Какая же нужна температура? (19) Что такое плазма? (23) Как действует на заряженную частицу электрическое поле ( 24 ) ...и магнитное ( 24) Коллективные движения частиц плазмы (27 ). Идея магнитного удержания (28). Глава II. САМОСЖИМАЮЩИЕСЯ РАЗРЯДЫ Пусть плазма держит себя сама! (33). Есть сжатие (35) Есть нейтроны1 (35) Тета-шшч (39). Плазменный фокус (43). Карта поля боя (45). Глава III. МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ Первые опыты (49). «Палки Иоффе», принцип «минимума В». (55 ) Другие неустойчивости ( 59 ). Метод грубой силы (60). Тандемные ловушки (61 ). Посмотрим на карту поля боя (65). Глава IV. СТЕЛЛАРАТОР Сделаем ловушку замкнутой! (66) Дивертор (71 ). Винтовая обмотка. Шир (73 ). Начало сотрудничества (76) Зато у соседей — благодать! (82) Глава V. ТОКАМАК Баллонный эффект (86). Детство (87). Токамак-1 (88). Глава VI. ПРОБЛЕМА НАГРЕВА Как домохозяйке свой токамак! (95 ) Как греть плазму. (99) Адиабатическое сжатие (100). Пучки быстрых атомов (101). Пусть работает перезарядка (102). Но не только в мощности дело (104). УВЧ-терапия плазмы (1 ий). Большая мощность — это еще не все! (107) Инвертор (109). Глава VII. 60 МИЛЛИОНОВ ГРАДУСОВ В ТОКАМАКЕ Трудности и неприятности (112). Вот это да! (113) Ночной рекорд (114). А что же дальше? (116) Наступление широким фронтом (116) Глава VIII. ВОЗРОЖДЕНИЕ СТЕЛЛАРАТОРОВ 122 А все-таки, почему же он не работает? (122) Чем заплатки ставить, лучше новое сшить! (125) Электротехникам не легче, чем физикам (125). Когда стелларатор работает как стелларатор (128). Следующий шаг в стелларатор-ной программе (132). Снова оргвыводы (135). Глава IX. ИНЕРЦИОННОЕ УДЕРЖАНИЕ 136 А может быть, совсем не удерживать плазму? (137) Первые прикидки (138). Что же делать? (139) Попробуем сначала на девяти (141). Вперед на штурм! (144) Скорость переноса тепла слишком мала! (145). Скорость переноса тепла слишком велика! (146) Давление света три миллиона атмосфер! (147) Чем сложнее мишень, тем проще лазер (148). Лазеры для УТС (152). Лазерный реактор (154). Другие способы (156). Смотрим опять на карту поля боя (159). Глава X. МЮ-МЕЗОННЫЙ КАТАЛИЗ 16fl Упорство одиночек или польза академической науки (163). Не может situ го быть! (164) И такое бывает... (165) Карманный реактор (167). А почем ныпче мю-мезоны? (167) На помощь приходит уран (168). Глава XI. ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР 169 Через пропасть в три прыжка (169). Как устроен реактор? (172) Проблемы, проблемы... (174) Первая стенка (175). Бланкет (176). Нейтроны — это тоже ценный товар (177). Куда девать термоядерную энергию? (180) А как же тритий и нейтроны? (182) А что говорит экономика? (183) 3аключение ПРЕДИСЛОВИЕ Вот уже более тридцати лет, с 1951 г., ученые всего мира работают над решением проблемы управляемого термоядерного синтеза. Сущность этой проблемы заключается в том, чтобы осуществить на Земле те же реакции ядерного синтеза — превращение водорода в гелий, которые служат источником энергии Солнца и других звезд. Когда это удастся сделать, человечество будет навсегда избавлено от проблемы недостатка энергии. В отличие от нефти, угля ii.ni урана, запасы которых истощаются на наших глазах, запасы водорода в воде океанов практически не ограничены. Их хватит на миллионы лет при самых смелых прогнозах потребления энергии человечеством. В названии этой проблемы не случайно подчеркнуто слово «управляемый». Потому что неуправляемый термоядерный синтез поди, уль(, уже осуществили — в водородной бомбе. Для спасении чеотечества от энергетического голода нужно найти сно-юб j приплата реакциями термоядерного синтеза, чтобы они протеки .и спокойно и отдавали свою энергию постепенно, а не в ни 1" iicci окружающего взрыва. Как сказал один американский учгпмп: «. человечество несомненно овладеет управляемым термин (ермым синимом, если но погибнет до этого от неуправляе Киши поснищииггя памяти моего учителя — Матвея Самсоновича Рабиновича — выдающегося ученого и обаятельного человеки, отдавшего более двадцати лет своей жизни исследованиям . УТС. Его научная проницательность, мужество и оптимизм в полной мере проявились в становлении и развитии стеллараторной программы — одного из наиболее перспективных направлений в решении проблемы УТС. Жизнерадостность, доброжелательность и чисто человеческое обаяние М. С. Рабиновича в немалой степени способствовали созданию той уникальной атмосферы сотрудничества, взаимопомощи и понимания, которая установилась среди ученых, работающих над проблемой управляемого термоядерного синтеза. В ходе тридцатилетнего сражения с проблемой УТС использовались все новейшие достижения в области физики и техники. Многие разделы физики и, прежде всего, физики плазмы претерпели исключительно мощное развитие именно в связи с работой над проблемой УТС. Поэтому популярный рассказ о драматической ис- 1 тории этих исследований представляет достаточно сложную задачу. Изложение ведется в расчете на любознательного читателя, имеющего образование в пределах программы средпей школы. Считаю своим приятным долгом сердечно поблагодарить члена-корреспондента АН СССР В. Д. ЦТафрановл, доктора физико-математических наук В. А. Чуяппиа и доктора физико-математических наук И. С. Шпигеля, прочитавших кишу в рукописи и сделавших ряд ценных замечаний. Автор ГЛАВА I ТЕРМОЯДЕРНАЯ ПРОБЛЕМА Сверхсекретные исследования Весной 1956 г. мир облетела сенсация: Игорь Васильевич Курчатов - ведущий советский фи-.П1К, возглавлявший работы по созданию атомной и водородной бомбы, находясь в Англии в составе советской правительственной делегации, выступил в Харуэллском а гимном центре с лекцией о фундаментальных исследованиях, проводимых в Советском Союзе. В своем выступлении оп рассказал об экспериментах, поставленных с целью использовать те же ядерные реакции, которые идут в водородной бомбе, в мирных целях для производства электроэнергии. Примеру Советского Союза последовали Англия и США. Завеса секретности была снята. В 1956 — 1958 гг. одна за другой состоялись три международных конференции, где ученые разных стран обнародовали результаты работ, которые велись уже в течение нескольких лет в обстановке глубочайшей секретности. Как возникла проблема Собственно, сами термоядерные реакции — реакции синтеза (слияния) ядер — были открыты еще в 40 х годах в связи с изучением источника энергии, поддерживающего в горячем состоянии Солнце и другие В то время, когда были открыты эти реоимш и разгадан источник звездной энергии, о практическим использовании термоядерных реакций на Земле нечего бы ю и думать — никакого реального способа получить темпераТУРУ в десятки миллионов градусов на Земле тогда не существовало. Но вот прошли годы. Окончилась вторая мировая война. К концу войны было создано самое страшное оружие, когда-либо существовавшее на Земле, — атомная бомба. В ходе исследования физических процессов, протекающих при взрыве атомной бомбы, было выяснено, что энергия, освобождающаяся при ядерной реакции деления урана, настолько велика, что температура может подниматься до миллионов градусов. Естественно, получив этот результат, сразу же вспомнили про термоядерные реакции, где необходима именно такая температура. Возникла идея использовать атомную бомбу в качестве «спички», чтобы поджечь еще и термоядерную реакцию и тем самым существенно повысить энергию взрыва. Идея оказалась плодотворной и через несколько лет мир был потрясен испытательными взрывами термоядерных, или, как их тогда называли, водородных бомб с энергией взрыва, эквивалентной десяткам миллионов тонн обычного взрывчатого вещества — тротила. С другой стороны, можно сказать, что энергия взрыва водородной бомбы равна энергии, которую все электростанции Земли вырабатывают за неделю. Из этою сравнения естественно рождается идея: вот если бы можно было и в самом деле заставить водородную бомбу взрываться медленно, в течение недели, а выделяющееся тепло использовать для выработки электроэнергии. Нель сколько угля, нефти, газа сжигают за педелю электростанции Земли. А тут всего лишь несколько гони водорода! Но для этого нужно заставить термоядерные реакции протекать не в виде взрыва, а медленно, постепенно, в контролируемых условиях. Одним словом, нужно научиться управлять ими. Так родилась проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС). Hi едставим себе, что проблема УТС решена — термоядерный реактор создан. Что это даст? В чем собственно состоят преимущества термоядерной энергетики и насколько О Первое и главное преимущество уже упоминалось — термоядерная энергетик,» позволит решить проблему энергетического кризиса. В отлично от существующей энергетики, которой угрожает ограниченность ресурсов нефти, газа, угля и урана, термоядерная энергетика будет работать на водороде, а запасы водорода в воде океанов практически не ограничены. (Точнее, термоядерпый реактор будет работать на изотопе водорода — дейтерии, которого в природе в 6800 раз меньше, чем обычного водорода.) Кроме того, в термоядерном реакторе будет использоваться литий. Но и с учетом этих обстоятельств запасы термоядерного топлива очень велики, а его добыча и производство обходятся сравнительно дешево. Максимальное количество энергии, которое можно производить на Земле, не рискуя вызвать климатическую катастрофу, ограничено примерно 1% падающей на Землю солнечной энергии. При такой мощности запасов дейтерия в воде океанов хватит примерно на 300 миллионов лет. Второе важное преимущество термоядерной энергетики — высокая экологическая чистота. Ни добыча исходных веществ — дейтерий и литий, ни отработанные продукты — инертный газ гелий, для окружающей среды опасности не представляют. Единственная причина беспокойства с этой точки зрения — нейтроны, рождающиеся в процессе производства энергии. Но сами по себе нейтроны полностью используются внутри реактора, а опасность появления па-веденной радиоактивности может быть сведена к минимуму подбором конструкционных материалов. Непосредственно в ходе термоядерных реакций каких-либо сильно радиоактивных веществ, подобных продуктам деления урана, не образуется. Третье преимущество — термоядерный реактор не производит веществ, которые могут быть использованы для производства атомного оружия. Поэтому нет опасности, что распространение термоядерпой энергетики вызовет распространение атомного оружия. Наконец, четвертое преимущество связано с тем, что и термоядерном реакторе, даже очень большой мощности, запас энергии и рабочих веществ довольно мал. Поэтому опасность взрыва полностью исключена, а опасность ра позитивного заражения окружающей среды в случае ппарни невелика. Преимущества оказались настолько велики и очевидны, чю как только термоядерная проблема была сформу-iiipon.tiHi, она стала одной из главных научных проблем опрсмениисти и все ведущие страны мира прилагают для решения большие усилия. Однако проблема оказалась ж пгронтно слояшой. Настолько сложной, что только теперь, спустя 30 лет напряженной и дружной работы ученых всего мира, с уверенностью можно сказать, что решение проблемы УТС принципиально возможно. Если бы тогда, в начале 50-х годов, физики представляли себе истинные масштабы стоящих перед ними трудностей, у них возможно и не хватило бы смелости браться за такую задачу. В чем же состоят трудности? Чтобы в этом разобраться, нам нужно сначала понять как устроено атомное ядро, как протекают ядерные реакции и откуда вообще берется ядерная энергия? Как устроено атомное ядро Природа неисчерпаема и ядерная физика проникает в структуру ядра все глубже и глубже. Ситуация здесь напоминает русскую матрешку: ядро состоит из протонов и нейтронов, которые состоят из кварков, которые... Но нам для ответа на поставленный вопрос не нужно лезть так глубоко. Будем считать, что ядро состоит из протонов и нейтронов, между которыми действуют ядерные силы. Ядерные силы очень велики — на расстоянии К)-15 м они создают силу притяжения значительно большую, чем сила электрического отталкивания одноименно заряженных протонов. Ядерные силы имеют одну важную особенность — они очень быстро спадают с увеличением расстояния между частицами. Поэтому, чтобы вызвать ядерную реакцию, нужно сблизить участвующие в ней частицы на расстояния 10-14 — 10~15 м. Это обстоятельство — одна из причин тех колоссальных трудностей, которые стоят на пути решения термоядерной проблемы. Но об этом позже. Сейчас нас интересует происхождение ядерной энергии. Откуда берется ядерная энергия? Простейшее ядро — ядро атома водорода, состоит только из одного протона. Энергию, которая заключена в этом ядре, легко подсчитать по формуле Эйнштейна Это очень большая энергия. При нормальных условиях в одном кубическом метре водорода содержится 2,7-1025 молекул Н2 и, значит, 5,4-1025 протонов. Полная энергия, которую содержит 1 м3 водорода, составляет 8,1 -1015 Дж или 2,25 10е кВт ч. Это число можно сравнить разве то с выработкой электроэнергии в нашей стране за день. В 1985 г. ее намечено произвести примерно 15,4-10" кВт-ч. Таким образом, если бы мы умели полностью извлекать энергию, заключенную в атомных ядрах, для производства всей электроэнергии в нашей стране за год понадобилось бы всего лишь около 7-102 м3, или 64 кг, водорода. К сожалению, полностью извлечь энергию, содержащуюся в атомпых ядрах, можно только одним способом — соединив их с ядрами из антиматерии. При столкновении протона р с антипротоном р происходит их взаимоуничто-жепие (аннигиляция), а выделяемая при этом энергия полностью переходит в энергию Y-квантов: р+р- +ч. Гамма-кванты можно поглотить в толстом слое вещества п выделившееся тепло использовать для производства электроэнергии. Задержка за малым — негде взять в достаточно большом количестве антипротоны. Так что этот способ, увы, ничего практически полезного не обещает. Посмотрим тогда, как можно извлечь энергию из более сложных ядер. Во всех ядрах атомов любого элемента число протонов одно и то же и равно номеру данного элемента в таблице Менделеева, а число нейтронов может быть различным. Такие атомы называются изотопами. В физике принято все изотопы данного элемента обо-.тачать одним и тем же символом, а чтобы отличать их друг от друга, слева вверху указывается суммарное число протонов и нейтронов — так называемое массовое число пчра А. Иногда для еще большей определенности слева шпыу указывают число протонов г. Например, Ще или Для измерения массы в атомной физике ввели атомную единицу массы (а. е. м.) как 1/12 массы изотопа углерода 12С. В этих единицах массы «деталей», из которых состоят атомы, равны: электрона гае=0,000548, протона лгр=1,007276, нейтрона лгп=1,008665 а. е. м. И вот что любопытно. Если сложить массы протона и электрона, из которых состоит атом водорода, то все более менее сходится. Но вот для более сложных атомов получается парадокс — масса атома оказывается заметно меньше, чем сумма масс составляющих его частей. Для гелия 4Не суммарная масса двух протонов, двух нейтронов и двух электронов — 4,0330, а масса атома гелия — 4,0026, для трития получается 3,2519 вместо 3,0165, для дейтерия — 2,0165 вместо 2,0141. Это что же — нарушение закона сохранения массы? Более того, в силу соотношения Эйнштейна Е=тс2 при этом и закон сохранения энергии тоже нарушается? Нет, конечно. Просто подсчитывая сумму масс частей при создании сложных ядер, мы не учли выделяющуюся при этом энергию, а она в силу этого самого соотношения Е — тс2 приводит к недостатку массы. Энергия в процессе соединения протонов и нейтронов в ядро выделяется в виде энергии испускаемой при этом частицы — фотона, или же в виде кинетической энергии образующихся в результате реакции частиц. Если учесть эту энергию, то с законами сохранения массы и энергии все получается в порядке. Энергия, которую мы не учли и которая породила этот парадокс с массой, называется энергией связи. Она создается за счет работы ядерных сил в процессе образования связанной системы — ядра из бывших до этого свободными частиц. На самом деле это совершенно заурядное явление, с которым мы сталкиваемся ежедневно. Когда камень падает на Землю, возникает связанная система — камень — планета Земля, а энергия связи выделяется в виде энергия разрушения грунта и тепла. И когда дрова сгорают в печке, возникает связанная система — атомы углерода и кислорода соединяются в молекулу углекислого газа С02. При этом энергия связи (около 1 эВ на молекулу) выделяется в виде тепла, а масса молекулы С02 получается, В случае ядерных реакций оно уже вполне заметно. Кубическим метр дейтерия имеет массу на 1,14 г больше, чем кубический метр гелия, а ведь число протонов, нейтронов и злектронов, содержащихся в этом кубическом метре, в обоих случаях одинаково! Изменением массы Риг. 1.1. Зависимость энергии связи ядер от массового числа ядра А. можно воспользоваться для измерения знергии связи и в фугих ядрах. Результаты таких измерений показаны на рис. 1.1. С помощью соотношения Е=т& из разности масс вычислена знергия связи. Чтобы сравнивать ядра с различным числом частиц между собой, энергию связи удобно поделить на массовое число ядра А. Вот эта ветчина — энергия связи, приходящаяся на одну частицу и ядре (нуклон), и показана на рис. 1.1 в зависимости от массового числа ядра А. Видно, что сначала с увеличением А энергия связи стремительно растет. При А«40 (яр гоп) рост замедляется. Максимальную знергию связи лшчот ядра железа. А при еще большем числе частиц . ядре энергия связи начинает уменьшаться. Так проис-чи щт потому, что при большом числе частиц в ядре oicTi. из них оказывается друг от друга на расстоянии, ршшнмом с радиусом действия ядерных сил, где при-иньеине уже ослабевает. Кроме того, с увеличением числа пропиши растет и энергия их электрического отталкивания. IV концу таблицы Менделеева, для тория и урана, энергия связи уже заметно меньше, чем для ядра железа. Из рис. 1.1 сразу видно, что есть два пути для извлечения ядериой энергии; можно либо соединять легкие ядра, типа водорода или дейтерия, в более тяжелые, либо, наоборот, расщеплять самые тяжелые ядра, типа урана, на осколки с А ~ 60, где энергия связи максимальна. Ядерные реакции, в которых из легких ядер создается более тяжелое, пазываются реакциями ядерного синтеза. Из рис. 1.1 видно, что для получения энергии методом ядерного синтеза пригодны любые ядра от водорода до железа. Реакции расщепления тяжелых ядер называют реакциями деления. Для использования в реакции деления в принципе пригодны любые ядра от урана до железа. Таким образом, мы выяснили, откуда берется ядер-пая энергия. Ее источник и в случае реакций деления, и в случае реакций синтеза один и тот же — эпергия связи протонов и нейтронов внутри ядра, возникающая за счет действия ядерных сил. Борьба с кулоновским отталкиванием Исторически первой была поставлена на службу человечества реакция деления. Атомные электростанции, основанные на реакциях деления урана и плутопия, уже работают, а использование реакции ядерного синтеза для получения энергии все еще находится на стадии исследований. И это не случайно. Использование реакции синтеза оказалось гораздо более трудным делом, чем реакции деления, из-за влияния электрических сил. Силы электрического отталкивания между одноименно заряженными протонами препятствуют сближению ядер в реакции синтеза, а в реакции деления они, наоборот, способствуют разлету осколков делящегося ядра. Поэтому чтобы произвести реакцию синтеза, надо сначала преодолеть электрическое отталкивание ядер. Силы электрического отталкивания, естественно, тем больше, чем больше заряд ядра. Чтобы сблизить два ядра с зарядами щ и q2 на расстояние г, нужно, согласно закону Кулона, затратить энергию где к — постоянная, зависящая от выбранных единиц измерения. (В системе СИ fc=910о.) Сближать ядра, что-Г 1.1 они вступили в реакцию синтеза, нужно примерно до г=10-14 м, где уже становится заметным действие ядерных сил. Дальше притяжение, вызванное ядерными силами, преодолеет кулоновское отталкивание н ядра сольются — произойдет реакция синтеза. Для изотопов водорода энергия электрического отталкивания составляет около 0Д5 МэВ. Это очепь большая энергия. Такую среднюю энергию ядра водорода будут иметь, если их нагреть до температуры ~1,6-109 К. Для других ядер нужна еще большая температура. Поэтому, хотя из рис. 1.1 мы видели, что в принципе ядерную энергию можно извлекать за счет реакции синтеза, используя любые вещества от водорода и до железа, трудности преодоления кулоновского отталкивания ядер заставляют сосредото-ч иться на реакциях с участием самых легких ядер — изотопов водорода, гелия, лития. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
