Именно с ним в большей мере связаны надежды человечества на избавление от зловещей угрозы энергетического голода.

Достаточно просто оглядеться вокруг, чтобы почувствовать, насколько сильно уровень жизни современного человека определяется уровнем потребления энергии. Энергия — это тепло, свет и музыка в наших домах, это транспорт, выплавка металла и индустрия хлебопашества, изобилие одежды и возможность содержать миллиарды помощников-машин.

Сегодня потребление энергии в мире характеризуется средней мощностью 2 кВт на каждого человека. Эта цифра получается, если просуммировать калорийность всего добываемого на Земле за год минерального топлива, разделить ее на 4 миллиарда (число жителей планеты) И на 30 миллионов (число секунд в году—мощность, это энергия, отнесенная к единице времени, к секунде).

Всю свою жизнь люди добывали энергию главным образом из процессов горения, из химических превращений, то есть из процессов, в которых участвуют электронные оболочки атомов. Трудно сказать, что было бы, если бы мы жили на Марсе или на Юпитере, но на Земле, к счастью, нашлись вещества, которые можно сжигать, получая при этом энергию. И немалую — вспомните, как 1 л бензина “везет” достаточно тяжелый автомобиль с пассажирами целые 10 км, а то и 15 км.

По-разному сложились судьбы ядерных реакций деления и синтеза применительно к энергетике. Реакция деления ядер урана была экспериментально получена позже, чем реакция синтеза ядер водорода (дейтерия). Однако урановые реакторы вот уже чуть ли не тридцать лет работают на АЭС, на атомных электростанциях (более 20% мощности электростанций, вводимых в нашей стране в этой пятилетке, придется на долю АЭС), а вот энергию ядерного синтеза в энергетике не используют. И поэтому, когда мы говорим “атомная энергетика” или “ядерная энергетика”, то пока имеем в виду только энергию, получаемую в реакциях деления.

Почему так получилось? С чем это связано? Может быть, добыванию энергии из ядерного синтеза уделялось меньше внимания? Может быть, он как источник энергии имеет какие-либо серьезные недостатки? В чем-то сильно уступает делению ядер?

Совсем наоборот — у ядерного синтеза немало решающих достоинств, он по многим показателям лучше ядерного деления. Достаточно напомнить, что для реакции синтеза на Земле имеются практически неисчерпаемые источники “горючего” — это водород и дейтерий, которые входят в состав воды. А запасы урана хотя и велики, но все же ограничены. Из них, как полагают, можно будет извлечь столько же энергии, сколько из оставшегося в недрах угля. К тому же в природе в основном встречается уран-238, а необходимый для реакторов уран-235 — это лишь доли процента в природной смеси изотопов, причем выделить его из этой смеси чрезвычайно сложно. Правда, уран-238 тоже можно использовать в ядерных реакторах, но только после “особой обработки”, короткая информация о которой появится в нашем рассказе, причем самым неожиданным образом.

Но вернемся, однако, к синтезу ядер и отметим — этот процесс, на первый взгляд, такой простой и доступный, не стал пока основой ядерной энергетики только по одной причине: пока не удалось осуществить синтез ядер в спокойном, управляемом режиме. То есть так, чтобы реакции синтеза шли ровно, поглощая все новые и новые порции горючего, поступающие в реактор. Чтобы такие рассредоточенные, растянутые во времени реакции могли месяцами, годами кормить силовые установки электростанций. Вот именно эта растянутость, равномерность пока никак не получается. Не получается, несмотря на то, что проблемой спокойного, управляемого ядерного синтеза занимаются вот уже более тридцати лет, что она была и остается темой номер один для многих крупнейших исследовательских лабораторий мира. Несмотря на то, что этой проблеме отдали годы жизни многие выдающиеся физики. Десятки глубоких теоретических исследований, тысячи выведенных уравнений, сотни экспериментальных установок, напичканных вакуумными приборами, электронными схемами, опутанных километрами соединительных проводов и трубопроводов, множество находок, успехов и разочарований, наконец, множество решенных частных, промежуточных проблем, чрезвычайной сложности. Но вот желаемых конечных результатов пока нет. История эта, конечно, еще далеко не дописана, но она уже сейчас могла бы дать немало тем для драматических произведений, насыщенных шекспировскими страстями.

Для того, чтобы ядра водорода (дейтерия, трития), преодолевая силы электрического отталкивания, сливались в ядра гелия, их нужно очень сильно столкнуть. И проще всего это сделать, сильно разогревая исходный продукт — плазму, образованную водородными (дейтериевыми, тритиевыми) ядрами. С нагревом все энергичней становится хаотическое движение ядер и возрастает вероятность достаточно сильного их сталкивания. Отсюда, кстати, от идеи разогрева плазмы, идет приставка “термо” в столь часто употребляемых ныне словосочетаниях — “термоядерные реакции”, “управляемый термоядерный синтез”,— в фамильярном “термояд”.

За долгие годы трудной и самоотверженной борьбы с неустойчивостями плазмы удалось понять многие их тайные механизмы, найти кое-какие средства против расползания плазмы. Но все же в нынешних установках слишком еще коротка жизнь плазмы — пока лишь малая часть ядер дейтерия или трития успевает слиться в ядро гелия, выделить энергию. Хотя уже проектируются экспериментальные реакторы типа “токамак”, где термоядерные реакции должны скомпенсировать энергетические затраты по нагреву и магнитному удержанию плазмы.

Сравнительно недавно, лет двадцать назад, начались эксперименты на новом научном направлении, чаще всего его называют лазерным термоядерным синтезом, или сокращенно — ЛТС. Сама идея ЛТС была высказана еще за несколько лет до этого, причем тоже советскими физиками, сотрудниками всемирно известного ФИАНа, физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР. Статья фиановцев Н. Г. Басова и О. Н. Крохина “Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора” (ЖЭТФ, выпуск 46, 1963 год) была первой публикацией, где предлагалось использовать лазерный нагрев для получения реакции ядерного синтеза. А еще до этого — в 1962 году — Н. Г. Басов выступил с таким предложением на международной конференции по квантовой электронике в Париже.

Главные, пожалуй, особенности идеи лазерного термояда состоят в том, что в реакторе не нужно удерживать стационарное, долгоживущее облако плазмы. Плазма появляется в реакторе периодически, в импульсном режиме, причем чрезвычайно короткое время. И поэтому в установках ЛТС неустойчивость плазмы не так страшна, как в реакторах с магнитным удержанием.

Ядерное горючее вводится в лазерный реактор микроскопическими порциями. Практически это делается так: микропорцию горючего помещают в стеклянный или полиэтиленовый шарик, обычно диаметром чуть больше одной десятой доли миллиметра; толщина стенок шарика измеряется тысячными долями миллиметра; такой, заполненный ядерным горючим, стеклянный шарик называют мишенью. В экспериментальной установке, а конкретно в центральной части ее взрывной камеры, мишень подвешивается на кварцевой нити.

Итак, мишень изготовлена, проверена и установлена в центре взрывной камеры. Сквозь прозрачные окна во взрывную камеру вводится мощный импульс лазерного излучения, который попадает точно в мишень. И вот здесь происходит нечто очень похожее на картину, которую мы часто видим в телерепортажах с космодрома. Наружная часть мишени под действием лазерных лучей быстро испаряется. Вещество, подобно раскаленным струям из двигателей ракеты, устремляется наружу, навстречу лазерным лучам, а стенки шарика, подобно ракете, движутся в противоположную сторону. В итоге сама мишень, сам стеклянный шарик под действием реактивной силы сжимается, сжимается и нагревается горючее внутри мишени. В нем быстро развиваются реакции ядерного синтеза и происходит своего рода термоядерный микровзрыв.

Можно представить себе термоядерный реактор, во взрывную камеру которого мишень вводится сверху. Когда мишень, падая, проходит через центр камеры, автоматика производит лазерный “выстрел”, и световой луч попадает в мишень на лету. После некоторого перерыва в реактор будет введена следующая мишень, вновь сверкнут лучи лазеров, и весь процесс повторится. Теплообменники, вмонтированные в стенки реактора, получат тепло, которое выделит длинная очередь микровзрывов, и с помощью жидкого теплоносителя передадут его дальше, скажем, к термоэлектрогенераторам или к паровым турбинам электростанции.

В существующих установках, правда, до отбора и практического использования энергии еще довольно далеко. Пока еще и в лазерном термояде энергии получают меньше, чем затрачивают. И здесь еще немало серьезных препятствий на пути от простой красивой идеи, от удачных экспериментов до действующих энергетических установок. Что поделаешь, приручение термоядерной энергии ни в каком варианте не попадает в число научных задач, которые можно решить с ходу, одной великолепной догадкой, одним восклицанием “Эврика!”.

Как это часто бывает, в огромном тематическом многообразии докладов можно было увидеть несколько общих проблем. Одна из них — повышение так называемого “коэффициента усиления по энергии” в лазерном термоядерном реакторе. Этот коэффициент — обозначим его, как принято, буквой К — есть некоторая итоговая характеристика, она показывает соотношение между энергией, полученной при взрыве одной мишени, и энергией, которую принес лазерный импульс, породивший этот взрыв.

Возможно ли это? Ведь сегодня физики еще только стремятся к демонстрационному эксперименту, стремятся получить К=1.

Утешает одно — расчеты показывают, что в лазерном термоядерном реакторе в принципе можно получить коэффициент К = 1000, то есть можно извлечь из мишени энергию в 1000 раз большую, чем отдает ей лазерный импульс.

Туннель можно рыть с двух сторон — можно не только повышать коэффициент К, но и снижать требуемую его величину, увеличивая, например, коэффициент полезного действия лазеров. Действительно, уже переход с неодимовых лазеров (кпд 0,3%) на углекислотные (кпд 5%) почти в 15 раз уменьшит ту энергию, которую реактор должен вернуть своим кредиторам. И, значит, можно будет довольствоваться меньшим К, меньшей энергией, которую необходимо получить от мишени. Причем 5% — это не предел, уже говорят о лазерах с коэффициентом полезного действия 20—30% и даже 50%.

Но вот оказывается, что высокий кпд — это не единственное требование к лазеру для ЛТС. И даже не самое главное. От лазера прежде всего требуется высокая энергия в импульсе, она в огромной мере определяет весь ход взаимодействия излучения с мишенью. Выступавшие на конференции специалисты не раз вспоминали, что за последние годы энергию лазерных импульсов удалось поднять с десятых долей джоуля до нескольких тысяч джоулей, и это во многом обусловило прогресс в области лазерного термояда. Требуется от лазера также высокая когерентность, организованность излучения, именно она помогает наилучшим образом наладить работу световой волны в веществе. Нужно иметь возможность легко управлять лазерным излучением, в частности выдавать его в виде очень короткого и резко нарастающего импульса. Кстати, неодимовые лазеры оказались лучше своих конкурентов именно по этому показателю и широко применяются в установках ЛТС, несмотря на довольно низкий кпд. И, наконец, для ЛТС — электростанций будущего нужны будут лазеры, которые смогут выдавать с десяток мощнейших импульсов в секунду и надежно работать в таком режиме хотя бы несколько месяцев. Сегодня и до этих показателей довольно далеко.

Создание лазеров для ЛТС — это самостоятельная большая область исследований и разработок, важнейшее слагаемое будущего успеха. Уже улучшаются характеристики углекислотных лазеров с тем, чтобы эти рекордсмены могли вложить в мишень достаточно короткий импульс. Уже готовят к дебюту в термоядерных установках новые для них типы лазеров — йодные, лазеры с химической накачкой, газовые лазеры высокого давления. А наряду с этим серьезное внимание привлекает возможность воспользоваться не лазерами, а другими источниками энергии, которые, как и лазерный луч, могут сильно сжать мишень и зажечь в ней огонь термоядерного синтеза. Такими источниками энергии, возможно, могли бы быть электронные и ионные пучки.

Пучок электронов, ускоренных электрическим полем и сфокусированных электромагнитными линзами, так же как и лазерный луч, можно вводить в реактор короткими импульсами и концентрировать на мишени. То же самое можно сделать и с пучком ионов — атомов, у которых не хватает электронов (положительный ион) или в которые втиснуты лишние электроны (отрицательный ион).

У пучков есть свои сторонники, а у них, естественно, свои аргументы “за”, свои идеи, планы, надежды. Скорее всего поэтому вместо уже привычного “лазерные термоядерные установки” или “лазерные методы” все чаще употребляют более общие термины — “импульсные установки”, “установки для инерционного сжатия”, “инерционные методы”. Само слово “инерционные” подчеркивает, что для осуществления термоядерной реакции используется тот короткий миг, который дарит нам сама инерция горючего, то есть его стремление сохранить состояние покоя. Еще несколько лет назад в классе инерционных были только установки ЛТС. Сегодня они уже никак не могут пожаловаться на одиночество — не только световой луч, но и пучки ионов или электронов стремятся теперь поддержать идею термоядерного “пулемета”, идею сжигания водородного горючего не в непрерывном пламени, а в бесконечной серии вспышек.

Конференция проходила в здании Политехнического музея, в помещениях Центрального лектория Общества “Знание”, и программа докладов, как это принято, регулярно вывешивалась у входа в зал, где шли основные заседания. Но в один из дней тематика конференции, в буквальном смысле слова, вышла на людную улицу — у подъезда Политехнического, так же, впрочем, как и на информационных щитах многих московских Институтов, появилось объявление:

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ЛЕКТОРИЙ 13 декабря среда

Беседы по актуальным проблемам науки и техники

УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Перед заполнившими зал студентами, школьниками, инженерами, представителями других областей физики и даже других областей науки из недолгих рассказов-экспромтов возникала некая общая картина, упрощенная копия которой была, по возможности, воспроизведена в этих заметках. И, кроме того, мы услышали много интересных частных, конкретных высказываний, сравнений, оценок. Вот некоторые из них, может быть, не самые важные, а просто самые запоминающиеся:

“...дейтерий-тритиевая газовая смесь в мишени сжимается до такой степени, что ее плотность в несколько раз превышает плотность воды...”

“...мы подошли к такой стадии, когда нужно строить сложные и дорогие установки, стоимостью примерно в миллиард долларов и, конечно, нет необходимости дублировать их, строить отдельно в каждой стране: есть прямой смысл объединить усилия, организовать международную кооперацию...”

“...если физики экспериментально докажут осуществимость термоядерных электростанций, то за дело возьмутся лучшие инженеры мира...”

“...в первый момент на мишень действует давление в миллионы атмосфер...”

“...проблема не так проста, как может показаться этой аудитории...”

“...даже чисто лазерная Ливерморская лаборатория начала интересоваться электронными пучками..,”

“...Люди не очень любят тратить деньги на далекое будущее, утешает лишь то, что кое-какие топливные ресурсы мы исчерпаем уже при жизни этого поколения...”

“...мягко сжать мишень в тысячу раз по плотности можно электронными пучками, полученными на ускорителях, и мы решились на постройку установки, где выход должен превысить затраты...”

“...если мы не хотим испортить климат, испортить планету, то нужно будет ограничить рост производства энергии, скажем, уровнем в один процент от поглощаемой солнечной энергии; можно только смехом реагировать на рисуемые писателями-фантастами картины будущего, где у каждого жителя Земли есть личный вертолет; пусть лучше у каждого будет личный велосипед...”

“...в мишени энергия лазерного луча переходит в энергию электронов, их поведение пока не очень понятно, и нужно один-два года, чтобы в этом разобраться...”

“...всякий, кто пользовался автомобильным насосом, прекрасно знает, что сжатие сопровождается нагревом...”

“...то, что проблему УТС решают разными методами, должно обеспечить ее, как говорят моряки, непотопляемость...”

“...сейчас всеобщее внимание приковано к процессам в короне, то есть к наружной части мишени в момент, когда она разлетается под действием лазерного удара...”

“...в сложных математических моделях обнаружились такие интересные вещи, как метастабильные режимы нагрева мишени и концентрация тепла в некоторых ее точках...”

“...решая проблему УТС, нужно пройти три этапа — научный, технологический и экономический...”

“...сейчас энергия в лазерном импульсе измеряется килоджоулями, а скоро будут мегаджоули...”

“...для реакций Д + Д горючего хватит на миллионы лет; в одном литре воды содержится столько дейтерия, что он может заменить триста тонн бензина...”

Подводя итоги выступлений “Круглого стола”, академик Н. Г. Басов отметил, что из них, несмотря на некоторые флюктуации, можно смело синтезировать некое общее мнение: трудности велики, но нет ощущения тупика, ясно, что именно нужно делать для преодоления этих трудностей. И есть все основания верить в осуществимость лазерного термоядерного синтеза.

К этому оптимистичному, позитивному выводу хочется добавить еще два, их наверняка сделали для себя многие участники встречи в Политехническом. Во-первых, хочется отметить большую полезность самой этой встречи, особенно для молодых людей, выбравших путь в науку. (Здесь тоже существует своего рода эффект усиления — усвоенные студентом или школьником микроватты новых для него идей могут обернуться мегаваттами достижений будущего известного исследователя.) И будет, видимо, очень хорошо, если встречи с широкой публикой и дальше будут входить в программы научных конференций. Если это станет традицией.

Другой вывод касается некоторой конкретной идеи, о ней говорили многие из выступавших: термоядерная электростанция представляется значительно более реальной, если считать, что ее реактор окружен урановым бланкетом.

“Бланкет” в переводе на русский значит “одеяло”, в нынешних предварительных .проектах термоядерных электростанций слово это встречается обязательно. Так, например, взрывную камеру укутывают в литиевое “одеяло” — между внутренней и наружной стенками камеры протекает жидкий литий. Он, во-первых, отбирает у внутренней стенки тепло и по трубам переносит его дальше, к потребителю. А во-вторых, в литиевом бланкете производится горючее для Д + Т реакции: под действием нейтронной бомбардировки часть лития превращается в тритий.

В предварительном проекте лазерной термоядерной электростанции, совместно разработанном сотрудниками ФИАНа и Института высоких температур, взрывную камеру окружают сразу три “Одеяла” — литиевое (для воспроизводства трития), гелиевое (теплоноситель) и урановое. Но, видимо, учитывая особо важную роль уранового бланкета, этот красивый термин относят только к нему, а два других называют более скромно — “слой”, “контур”, “зона”.

Энергию, выделившуюся при микровзрыве, в основном получают осколки ядер, разлетающиеся во все стороны частицы. Причем при Д + Т-реакции примерно 70% энергии достается быстрым нейтронам, у которых отобрать энергию очень трудно: эти нейтральные частицы плохо взаимодействуют с веществом.

Но вот появилась идея—отобрать у нейтронов энергию с помощью тех же процессов, которые их породили, с помощью ядерных превращений. И для этого набросить на взрывную камеру урановый бланкет — попадая в ядра урана, нейтрон будет разрушать их, и в результате деления ядер выделится дополнительная энергия. Поток нейтронов при термоядерных реакциях настолько велик, что бланкет можно сделать из бросового урана-238. Более того, отдавая энергию, уран-238 будет превращаться в плутоний, прекрасное горючее для традиционных реакторов деления.

Подобная утилизация урана-238 уже применяется в действующих урановых реакторах на быстрых нейтронах, так называемых бриддерах (“Наука и жизнь” № 11, 1976 г.). Однако в термоядерных реакторах этот процесс можно будет осуществить значительно более спокойно, более эффективно. Удивительный технический симбиоз, объединение ядерных реакций синтеза и деления в одной установке во много раз поднимет эффективность термоядерных электростанций, в том числе лазерных. И, значит, можно будет несколько снизить требования к таким показателям, как кпд лазера, выделение энергии при микровзрыве, коэффициент усилия по энергии.

Кстати, из прикидочных проектов термоядерных электростанций уже сейчас видно, что мощность единичных лазерных установок не превысит, видимо, тысячу мегаватт (МВт). Для сравнения напомним, что мощность Братской ГЭС — 4,5 тыс. МВт, мощность 3-го и 4-го блоков Нововоронежской АЭС — 0,44 тыс. MBT, пятого блока — 1 тыс. МВт; мощность самых крупных работающих ныне агрегатов тепловых электростанций (котел, паровая турбина, электрогенератор) — 0,8 тыс. МВт. Возможности лазерных установок ограничены главным образом мощностью самих лазеров. Даже если предположить, что получен коэффициент усиления по энергии К = 1000, что лазер дает в каждом световом импульсе 100 кДж и что производится 10 микровзрывов в секунду, то и в этом случае лазерная термоядерная установка выдаст мощность около 1 тыс. МВт.

Предполагаемая мощность единичных энергетических установок на основе токамаков — в десятки раз больше. А это значит, что лазерные и “токамачные” станции вполне смогут мирно сосуществовать, если они будут созданы.

Если они будут созданы...

В области управляемого термоядерного синтеза, хотя это и не очень заметно со стороны, в последнее время происходят очень важные события. Вступают в строй лазерные установки с энергией в импульсе 10 кДж — советский “Дельфин”, американские “Шива”, “Омега” и восьмипучковая установка “Гелиос” с углекислотным лазером. Совершенствуются мишени, больше энергии отдают микровзрывы. Уже удалось сжать горючее в мишени примерно в 1000 раз, при этом плотность Д + Т смеси стала значительно больше, чем плотность железа. На “Шиве” удалось получить микровзрыв дейтериево-тритиевой мишени, в котором выделилось 10 миллиардов нейтронов, это значит, что произошло 10 миллиардов элементарных реакций слияния ядер. А еще до этого на небольшом сравнительном фиановском “Кальмаре” (энергия в лазерном импульсе — 0,1 кДж) получили 10 миллионов нейтронов от чисто дейтериевой мишени, что эквивалентно примерно 1 миллиарду нейтронов от дейтериево-тритиевой мишени.

Все эти плановые работы, под которые, как принято говорить, уже выделяется финансирование, начинались когда-то просто с высказанной идеи, с журнальной статьи или с доклада на конференции. А ведь генерация идей не прекращается. Вот лишь несколько из многих предложений, промелькнувших в печати в последнее время:

К этому хочется добавить, что не стояла, видимо, и проблема столь важная — навсегда обеспечить для человечества изобилие энергии.