После того как была доказана возможность магнитной изоляции, ученые полагали, что управляемую термоядерную реакцию удастся осуществить в течение ближайших десяти лет. На решении этой проблемы было сосредоточено много квалифицированных ученых во многих странах, в частности и у нас. Однако чем дальше углублялись исследования, тем больше появлялось трудностей. Сейчас удалось сформулировать, какие именно трудности надо преодолеть для получения устойчивой термоядерной реакции.
Две термоядерные реакции с самого начала привлекали внимание. Первая из них — это бимолекулярная реакция ядер газообразного дейтерия. В сущности, она состоит из двух параллельных и одной промежуточной реакции:
D + D = He3 + n,
где D — ядро дейтерия (изотоп водорода), содержащее один протон и один нейтрон, He3 — изотоп гелия, содержащий в ядре два протона и один нейтрон;
D + D = T + p,
T — ядро трития (изотоп водорода), содержащее один протон и два нейтрона;
T + D = Не4 + n,
He4 — обычный гелий, содержащий в ядре два протона и два нейтрона; n — нейтрон, p — протон.
При этом скорость последней стадии значительно выше, чем первых двух, и поэтому слабо радиоактивный тритий будет практически отсутствовать в продуктах реакции.
Вторая интересующая ученых термоядерная реакция выглядит следующим образом:
T + D = He4 + n.
Она может быть осуществлена значительно легче, чем первая, однако требует синтеза трития, которого нет на Земле. Исходный заряд трития может быть получен в обычных атомных котлах. А дальше, как мы сейчас увидим, он может воспроизводиться в ходе термоядерной реакции за счет выделяемых ею нейтронов. Для этого реактор необходимо окружить оболочкой из химических соединений лития. В литии в количестве 7 процентов содержится изотоп Li6. При реакции нейтрона, замедляющегося в литиевой оболочке, происходит реакция n + Li6 = He4 + T. Образующийся тритий выделяется и снова используется в основном процессе. Мало того, если между реактором и оболочкой проложить слой, содержащий бериллий, то идет реакция, при которой из одного нейтрона получаются два. Эти оба нейтрона реагируют с Li6, и возникают два атома трития. В этом случае количество образующегося трития не только компенсирует расход его в реакции, но дает избыток, позволяющий в принципе создавать новые термоядерные реакторы.
При обеих рассмотренных реакциях выделяется огромное количество тепла: в первой из них на один грамм газа выделяется столько энергии, сколько получается при сжигании примерно 10 тонн угля, а во второй — 14 тонн угля. Реакции идут при температурах порядка 100 миллионов градусов. При таких условиях газ представляет собой плазму из электронов и положительно заряженных ядер. Допустим, что реактор работает на быстро чередующихся импульсах тока, мгновенно разогревающих плазму. Вся трудность заключается в том, что плазма сохраняет устойчивость лишь в течение очень короткого времени τ, которое зависит, от силы магнитного поля и конструкции реактора. Обеспечить достаточную полноту реакции возможно лишь в том случае, если время реакции t меньше τ. Таким образом, протекание реакции определяется условием: t/τ> 1. Скорость реакции выражается формулой W = KN2, где N — количество ядер в см3, а K — константа скорости реакции при данной температуре (100 миллионов градусов для реакции T + D и почти на порядок выше для реакции D + D). Отсюда время реакции t = 1/KN и условие осуществления реакции выразится так: KNτt > 1. Константа К бимолекулярной реакции, как всегда, пропорциональна сечению σ = πr2 столкновения частиц, в данном случае ядер. Радиус r определяет собой то наибольшее расстояние между ядрами (в момент прохождения их друг около друга), при котором реакция еще осуществляется.
Оказалось, что сечение реакции D + D в 100 раз меньше, чем реакции T + D, а следовательно, и константа К в 100 раз меньше для первой реакции, чем для второй, поэтому численное значение произведения Nτ для реакции дейтерия составит величину 1016, а для трития с дейтерием 1014. Таким образом, реакция трития может быть осуществлена значительно легче.
В настоящее время экспериментально достигнута величина Nτ = 1012, но есть основания думать, что со временем можно будет достичь и 1014, что приведет к осуществлению реакции трития с дейтерием.
Однако сама по себе эта термоядерная реакция T + D обладает тремя недостатками. Первый из них связан с необходимостью использования Li6 в том же количестве, что и трития и дейтерия. Разведанные на сегодняшний день мировые запасы достаточно богатых литием руд (и минерализованных вод) очень невелики, особенно если вспомнить, что изотоп Li6 содержится в литии в количестве 7 процентов. Если положить термоядерную реакцию T + D в основу мировой энергетики, то запас Li6 в разведанных месторождениях будет целиком использован за сравнительно небольшой отрезок времени. Литий относится к очень рассеянным элементам, и хотя общее его содержание в земной коре достаточно велико, концентрация очень мала. Например, в гранитах он содержится всего в количествах 1/1000-1/10 000 долей процента, поэтому разработка таких руд представляется малорентабельной.
Вторая, трудность состоит в том, что при работе с тритием очень сложно избежать его потерь и постепенного накопления в атмосфере. Между тем тритий радиоактивен. Поэтому применение реакции с ним требует полной гарантии радиоактивной безопасности, то есть извлечения трития из отходящих газов.
Конечно, и в реакции D + D в качестве промежуточного продукта появляется тритий, однако в условиях проведения этой реакции тритий будет практически мгновенно реагировать и полностью исчезать за счет реакции T + D.
Наконец, в-третьих, само извлечение трития из литиевой оболочки реактора довольно трудно будет технически совместить с использованием тепла для работы уже обычного котла электростанции. Заметим, что 7/9 энергии термоядерной реакции T + D уносится в оболочку с быстрыми нейтронами, в самом же реакторе выделяется всего 2/9 общей энергии.
Все эти недостатки термоядерной реакции трития, даже если она будет осуществлена, делают ее отнюдь не более перспективной, чем метод котлов-размножителей. Поэтому можно считать практическое осуществление реакции T + D лишь преддверием к решению проблемы на базе реакции D + D. Мы видели, что трудностей для осуществления этой реакции в сто раз больше, чем для реакции T + D. И все же нет оснований сомневаться, что человеческий гений добьется своего, быть может, ценой длительных усилий. Возможно, это случится через много десятков лет, но рано или поздно это произойдет.
С этой оптимистической точки зрения осуществление и техническое оформление котлов электростанций на реакции T + D представляются крайне важными для будущего осуществления реакции D + D.
Мне хотелось бы сказать еще несколько слов о перспективах получения термоядерной реакции D + D. За последние 20 лет все усилия были направлены по одному руслу. Не было принципиально новых идей. А между тем они, несомненно, должны появиться. С этой точки зрения следует обратить внимание на новую оригинальную идею, высказанную и проиллюстрированную академиком Басовым и некоторыми французскими учеными. Эта идея заключается в импульсном нагреве твердых соединений дейтерия или непосредственно замороженного дейтерия с помощью лазеров.
Басов направил узкий лазерный пучок на дейтерид лития. Лучшие результаты получались при очень коротких импульсах, когда образующаяся в результате нагрева лазерным пучком плазма не успевает еще расшириться. При этом был зарегистрирован небольшой выход нейтронов, что свидетельствовало о протекании, пусть еще очень слабой, термоядерной реакции. По новой идее плазма не требует никакой магнитной изоляции. Хотя в этих опытах τ очень мало, но зато концентрация ядер достаточно велика, поскольку плазма возникает в твердом теле.
Под пучок будет подводиться лишь очень малое количество вещества. Затем импульс лазера прерывается на короткое время, подводится новая малая порция вещества и т. д. Таким образом, установка будет работать подобно автомобильному двигателю, где топливо подается в цилиндры порциями.
Недавно группа американских физиков предложила другой, очень остроумный путь получения термоядерной энергии за счет энергии лазерных пучков. Пока опубликованы лишь расчеты, что же касается экспериментов, то неизвестно, проводились ли они. Идея заключается в следующем. На сферическую частицу из твердого дейтерия или дейтерия с тритием направляется сферически сходящийся световой поток. Он ионизирует поверхностный слой частиц и поглощается в нем. В результате этот поверхностный слой разлетается во все стороны и сообщает импульс отдачи оставшейся части частиц, сжимая их. Расчеты показывают, что при этом частица сжимается. Задавая определенным образом зависимость импульсной отдачи от времени (что достигается соответствующим программированием формы лазерного импульса), можно получить режим почти адиабатического сжатия частицы до плотности в 104 раз больше первоначальной и достичь плотности атомов дейтерия до 1027 атом/см3. Возникающая при этом высокая температура обеспечивает очень быстро протекающую термоядерную реакцию. По расчетам, 60 джоулей лазерной энергии могут привести к получению 2 мегаджоулей термоядерной энергии. Конечно, здесь, как и в случае, предложенном Басовым и французскими учеными, термоядерное горение будет происходить как последовательность быстро следующих друг за другом малых термоядерных взрывов, соответствующих превращению нескольких десятых микромолей дейтерия при нормальном давлении в гелий.