Александр Проценко - Энергия будущего
Из работ академика А. Прохорова и профессора П. Пашинина было известно, что при искровом пробое газа лазерным лучом и его ионизации можно нагреть электроны плазмы примерно до 10 миллионов градусов.
Во многом история этого первого эксперимента напоминает историю с ложными нейтронами в опытах по самосжатому разряду.
Вот схема эксперимента в ФИАНе. Рядом с камерой с газообразным дейтерием, в которую направлялся луч лазера, размещался счетчик нейтронов. В случае возникновения в камере термоядерной реакции рождался пучок нейтронов. Он и заставил бы счетчик срабатывать и зажигать лампочку на панели прибора.
При первом же опыте лампочка засветилась. Неужели появились нейтроны? Слишком легкой казалась эта победа. Начались проверочные опыты. Линзу лазера закрыли непрозрачным экраном так, чтобы после вспышки луч вообще не попадал в камеру с дейтерием. Эксперимент повторили, и лампочка снова зажглась. Все стало ясно: она включалась вовсе не потому, что появлялись термоядерные нейтроны, а в результате электромагнитных наводок. С ними пришлось вести упорную борьбу. Но они были ликвидированы. Физики вступили в длительный этап повторяющихся экспериментов. Вот как участник этих опытов описывает случай, имевший место во время исследований.
В одном из экспериментов лампочка сработала. Невзирая на позднее время сразу позвонили академику Л. Арцимовичу. Он и его сотрудник В. Коган проявляли неослабевающий интерес к попыткам лазерщиков освоить новую специальность и всячески помогали дружескими советами. Академик тотчас приехал, сел на стул и приковал свой взгляд к заветной лампочке.
Вспышки лазера следовали одна за другой, но аппаратура не проявляла признаков активности. Время перевалило уже за полночь. Но в павильоне горит свет, работают насосы, на стеклянных деталях вспыхивают отблески лазерного света. Лев Андреевич, уставший после напряженного двенадцатичасового рабочего дня, слегка задремал, сидя на с гуле. Потом, очнувшись, оценил обстановку и сказал: «Знаете, ребята, я пойду домой, а как только у вас что-нибудь получится, сразу звоните!
Обязательно звоните, в любое время ночи!»
Ему не позвонили ни в эту ночь, ни в следующую. Ожидаемый звонок прозвучал лишь через три года.
Уже в 1968 году в ФИАНе были зарегистрированы первые настоящие термоядерные нейтроны на мишени из дейтерида лития. Летом 1969 года в Лимейле (Франция) было получено от 100 до 1000 термоядерных нейтронов на импульс. В 1970 году подобные эксперименты были проведены в одной из лабораторий США, в Сандия. За последние годы в СССР и США были проведены эксперименты, в которых на один импульс получали от 107 до 109 нейтронов.
Этими опытами была экспериментально подтверждена плодотворность идеи сверхсжатия мишени.
Еще многое неясно, но…
Сейчас уже можно представить себе, как мог бы выглядеть энергетический термоядерный реактор с лазерным зажиганием. Конечно, только в самых общих чертах, потому что для того, чтобы этот реактор заработал, нужно решить еще очень много сложных задач и проблем. Еще неясно, как будут они решены и вообще произойдет ли это. Вдруг придется обратиться к другим идеям. А от этого зависит устройство реактора.
Заглянем вперед и предположим, что все трудности остались позади и мы стоим перед реактором. Его сердце — сферическая камера; в ее центре — та самая мишень-льдинка из замороженных дейтерия — трития.
В стенках камеры — окна. Через них на мишень со всех сторон направят лучи лазеров. Чтобы они на пути к ней не ослаблялись, в камере создается вакуум.
Но вот подается команда. Установка вот-вот задействует. Вспыхивает лазер, и шарик-льдинка взрывается.
Взрыв только одного шарика эквивалентен взрыву 10–15 килограммов тринитротолуола, то есть 10–50 киловатт-часов энергии. Но это еще не все. Чтобы такой реактор стал действительно энергетической, а не экспериментальной установкой, эти взрывы в течение одного даже часа должны повторяться десятки, а то и сотни тысяч раз. При этом тепловая мощность реактора будет составлять несколько миллионов киловатт.
Необходимо подчеркнуть, что энергия синтеза в реакторе выделяется в виде стремительно разлетающихся атомов гелия (альфа-частиц), рентгеновского излучения и нейтронов. Как и в случае термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы, взрывная камера окружена бланкетом — несколькими слоями различных веществ, в которых кинетическая энергия влетающих туда нейтронов превращается в тепловую.
Сам-и же нейтроны используются для получения трития из лития. Тепловая энергия отводится из бланкета и преобразуется в электрическую, часть которой направляется на лазерную установку, а остальная идет в энергосеть.
Конечно, это только один из многих возможных вариантов. Например, есть заманчивое предложение о непосредственном преобразовании кинетической энергии расширяющейся плазмы в электрическую при ее взаимодействии с магнитным полем, созданным внешними сверхпроводящими катушками.
Надо заметить, что создание почти любого блока установки, почти каждой из ее систем требует нового, нестандартного подхода. Здесь есть где развернуться и показать свои способности изобретателям, которые помогут создать совершенный реактор.
Возьмем, к примеру, систему подачи шарика-мишени, и мишени не простой, а движущейся. Она должна пройти свой путь так, чтобы лазерный луч не просто попал в нее, а вошел с большой точностью в самый центр.
В противном случае подача энергии будет неравномерной, значит, нарушится симметричность сжатия, не будет достигнута нужная плотность и температура шарика и окажется, что энергия лазерного выстрела затрачена впустую. Шарик-мишень не взорвется, термоядерная энергия не выделится или ее выйдет меньше, чем затрачено на лазерный импульс.
Ввод мишени с большой точностью в область максимальной фокусировки лазерного излучения является большой самостоятельной проблемой. Нужно создать такую систему, которая обеспечивала бы размеренное появление в центре камеры одного за другим, скажем, десяти шариков в секунду. По-видимому, из многих рассмотренных способов наиболее многообещающим является баллистический метод выстреливания ими в точку схождения лазерных лучей с автоматической корректировкой их траектории. Специальный инжектор разгоняет шарики до скорости в несколько сот метров в секунду и выстреливает их в камеру. Система наведения мишеней в фокус автоматически отбирает только те из них, которые летят в нужную точку с необходимой точностью.
Лазер срабатывает только и только тогда, когда шарик-мишень выдерживает заданную точность траектории. В противном случае он не стреляет, мишень остается целой и вновь забирается в баллистическую систему ввода мишеней, и снова выстреливается в камеру.
Теперь о лазере. Его энергия в одном канале не может по разным причинам превышать 0,05-0,1 ватт-часа. В то же время энергия импульса должна быть не меньше 30 ватт-часов. Чтобы получить эту энергию, используют несколько лазеров, луч каждого из них расщепляют на несколько самостоятельных, усиливают до предельной величины и направляют на шарик-мишень.
Такая система позволяет существенно уменьшить разновременность попадания на его поверхность световых импульсов. Ведь эта разница должна быть намного меньше длительности самого импульса.
Понятно, что разновременность прихода световых вспышек может возникать не только из-за того, что первоначальные импульсы нескольких лазеров возбуждаются в разное время, но и просто из-за разной длины оптических путей всех лучей. При общей их длине в несколько десятков метров разница не должна превышать долей миллиметра.
Несмотря на большую сложность создания мощных лазерных систем, уже сейчас действуют установки с энергией импульса, равной 3–5 ватт-часам. Это система «Дельфин» в СССР и «Шива» в США.
Вернемся в нашем повествовании на шаг назад. Мы еще почти ничего не говорили о том, как выглядит самое термоядерное топливо: шарик-мишень. Если бы удалось осуществить режим сверхсжатия вещества согласно предложению американских физиков, то для шарика годилась бы однородная смесь дейтерия и трития.
Но предложенный режим требует очень резкого изменения во времени мощности лазерного импульса, Примерно за 10-8 секунды она должна возрасти в миллион раз. При этом половина всей энергии импульса должна выделиться всего за 10-11 секунды. Задача эта чрезвычайно трудная.
Так как же работает лазерный реактор?
Проследим за протекающими в нем потоками энергии. Для этого введем в лазерную систему 1 киловаттчас электроэнергии, девять десятых которой потеряется при накачке лазера и в процессе его вспышки. В импульсе полетит сгусток энергии всего в 0,1 киловатт-часа. На этом потери не кончаются. Около 90 процентов от 0,1 киловатт-часа рассеется на шарике-мишени и потеряется по пути к нему. Значит, на разогрев и сжатие шарика пойдет только 0,01 киловатт-часа.
