Заглянем в будущее

Вместе с тем давно известно, что уран-238 при захвате им нейтрона в конечном счете дает плутоний, являющийся еще более активным материалом, чем уран-235. Но для осуществления такого процесса необходимо иметь нейтронный источник, работающий с хорошим к.п.д. Идея создания такого источника еще в начале 50-х годов возникла в Советском Союзе, а затем в США. Это мог бы быть протонный ускоритель на 0,5–1 Бэв. Быстрые протоны, попадая на мишень из урана-238, пронизывают электронную оболочку атома, проникают в ядро урана-238 и при этом выбивают 30–50 нейтронов на каждый протон. Получаемые таким путем нейтроны реагируют с ураном-238 и преобразуют его в плутоний. Эта идея оживленно обсуждалась у нас и в США вплоть до последнего времени.

Однако за это время в Советском Союзе и США возникла значительно более простая для реализации идея использования урана-238 в так называемых реакторах-размножителях. Прототипы таких котлов уже появились в США, СССР и Франции. Идет разработка оптимальных типов котлов-размножителей, работающих на плутонии. При делении атома плутония выделяется около 3 нейтронов. Один идет на поддержание цепной реакции деления, обеспечивающей работу электростанции. Второй нейтрон поглощается оболочкой котла из урана-238 и идет на образование плутония, обеспечивающего новую зарядку котла после выработки первичного заряда плутония. Наконец, третий нейтрон каждого атома частично теряется бесполезно, а частично обеспечивает получение некоторого дополнительного количества плутония в работающих котлах, что и дает возможность «размножения» атомных котлов. Таким образом, удается использовать весьма большую долю от всего добываемого урана в качестве делящегося материала. Иначе говоря, эффективность добываемой руды можно повысить почти в 100 раз. При этом становится экономически целесообразной разработка даже очень бедных месторождений урана, а также добыча его из океанской воды. Хотя концентрация урана в воде очень мала (5 миллиграммов на тонну), но общие его запасы в океанах в 1000 раз больше, чем в земной коре.

Пока рост числа котлов-размножителей идет сравнительно медленно (примерное увеличение в 2 раза за 10 лет), но уже через 50 лет значительную часть энергетики Земли можно будет обеспечить за счет атомной энергии.

Метод котлов-размножителей в принципе вполне реален, и дело стоит за чисто технологической его доработкой. Достоинством метода является отсутствие радиоактивных газов, которые могли бы заражать атмосферу, если не считать малых количеств криптона, от которых при расширении производства необходима тщательная очистка. Однако метод имеет и недостаток, состоящий в том, что практически все запасы урана и тория будут переведены в радиоактивные остатки деления, что может иметь вредные последствия. Поэтому даже при захоронении их глубоко под землёй необходимо иметь полную гарантию, что осколки деления в течение столетий не смогут отравить подземные воды. Проведенные уже на этот предмет опыты дают благоприятные результаты, но, учитывая огромное увеличение числа атомных котлов, необходимо выполнить самые скрупулезные исследования условий захоронения, которые бы с абсолютной достоверностью исключали всякую опасность.

Совершенно новые возможности открываются перед человечеством с осуществлением термоядерной управляемой реакции. Однако ее осуществление казалось сначала невозможным из-за громадного количества выделяющегося тепла и соответственно высокой температуры в зоне реакции, достигающей сотен и более миллионов градусов. Именно такие температуры и необходимы для того, чтобы реакция шла достаточно быстро и сама себя поддерживала. Само собой разумеется, что в результате теплоотдачи стенки термоядерного реактора мгновенно превратятся в пар. Однако физики (насколько я знаю, первыми это сделали советские физики) выдвинули идею магнитной изоляции, которая решала проблему уменьшения теплопередачи к стенкам и в принципе делала бы процесс осуществимым. При разогреве вещества мощным импульсом тока удалось на мгновение нагреть его до температуры, близкой к необходимой для начала термоядерной реакции, и проверить действие магнитной изоляции.

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:

где D — ядро дейтерия (изотоп водорода), содержащее один протон и один нейтрон, He³ — изотоп гелия, содержащий в ядре два протона и один нейтрон;

T — ядро трития (изотоп водорода), содержащее один протон и два нейтрона;

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:

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.