Принцип действия термоядерного реактора, над созданием которого работают физики многих стран мира, имеет кое-что общее с принципом действия обычного атомного реактора. В обоих случаях основой являются ядерные реакции, обладающие огромным энерговыделением. 1 кг исходного для термоядерной реакции вещества энергетически эквивалентен 10 тыс. т у. т. Или: 1 г этого вещества энергетически эквивалентен 10 т у. т. Таким образом, энерговыделение в термоядерной реакции, отнесенное к единице массы исходного вещества, примерно в 3,5 раза больше по сравнению с ядерной реакцией деления 235U.
Отличие заключается в том; что термоядерная реакция есть реакция соединения (синтеза) ядер, а не их деления. Реакции деления ядер, сопровождаемые огромным энерговыделением, свойственны тяжелым элементам, обладающим большой атомной массой. Ядерные же реакции с большим выделением энергии, участниками которых являются легкие элементы с малой атомной массой, — это реакции синтеза ядер.
В реакции деления ядер делящееся вещество (уран, плутоний) является, как часто говорят физики, мишенью. Активная же роль принадлежит нейтронам — инициаторам ядерной реакции. В реакции синтеза ядер дело обстоит иначе. Ядерная реакция этого типа может осуществляться только в том случае, когда ядра атомов окажутся достаточно близко друг от друга, на расстоянии около одной миллиардной доли микрометра.
Сближению ядер атомов противостоят электростатические силы отталкивания (ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд), и, чтобы оно произошло, необходимо, чтобы взаимодействующие частицы обладали большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру, измеряемую многими десятками миллионов градусов. Именно по этой причине реакция синтеза ядер названа термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в так называемом плазменном состоянии. Плазма отличается от обычного газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра и оторванные от них свободные электроны.
Заметим, что в настоящее время большое внимание уделяется исследованиям низкотемпературной плазмы — смеси нейтральных атомов, свободных электронов и ионов, образовавшейся из атомов, потерявших один, редко два электрона. Температура такой плазмы составляет несколько тысяч или десятков тысяч градусов.
Низкотемпературная плазма может возникнуть в электрических дугах, газоразрядных источниках света или просто при нагревании газа до достаточно высокой температуры. Она находит все более широкое применение для различных технологических целей (плазменная резка металлов, сварка и др.), а также в качестве рабочего тела в установках прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Для термоядерного реактора требуется, конечно, высокотемпературная плазма.
Напомним, что водород имеет три изотопа: протий (Н) — обычный водород, ядром атома которого является протон; дейтерий — (D) — более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из протона и нейтрона; тритий (T) — еще более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомные массы трех названных изотопов водорода соответственно: 1, 2, 3.
По современным представлениям, как уже говорилось выше, источником энергии звезд, в том числе нашего Солнца, служит термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий и выделяется огромное количество энергии. Такая реакция протекает в недрах звезд, но осуществить ее в земных условиях, по-видимому, невозможно. Значительно проще, оказывается, осуществить реакцию между ядрами дейтерия и трития. При этом образуются ядра гелия, нейтроны, а также происходит огромное энерговыделение.
Возможность осуществления в земных условиях термоядерной реакции, исходными веществами для которой служат тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий, доказана. Именно такая реакция протекает в термоядерной (водородной) бомбе, где она носит характер неуправляемого кратковременного мощного взрыва, результатом которого является разрушение. Для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных целях, нужно научиться ее регулировать.
Следует заметить, что тяжелый изотоп водорода — тритий — вещество радиоактивное, период его полураспада небольшой, около 12 лет. Поэтому тритий на Земле практически не встречается. Но это не создает безвыходного положения. Вспомним, что плутония (239Pu) тоже не было на Земле. Однако теперь 239Pu является одним из самых распространенных ядерных топлив для атомных реакторов. Оказывается, тритий можно получить из щелочного металла лития (Li) путем бомбардировки его атомных ядер быстрыми нейтронами, образующимися, в частности, в термоядерной реакции слияния ядер D и Т. Можно даже вместо трития помещать в термоядерный реактор «тритиевое сырье» — литий. В процессе работы реактора тритий в нужном количестве будет производиться из лития.
Что касается ресурса ядерного топлива для термоядерной дейтерий-тритиевой реакции (или, как иногда ее именуют, D + Т-реакции), то в конце концов дело сводится к запасам лития. Действительно, ресурс дейтерия на Земле очень велик. Запасы дейтерия, содержащегося в воде морей и океанов (а получение дейтерия из воды рассматривается как дело несложное и экономически вполне оправданное), по энергетическому эквиваленту во много миллионов раз превышают ресурсы всех видов органического топлива, вместе взятых.
В отношении лития — даже с учетом того, что для получения трития «в дело идет» только изотоп лития (6Li), содержащийся в природном литии в количестве 7,4 %,— можно сказать, что его запасы достаточно велики. Они принимаются специалистами равными по энергетическому эквиваленту запасам урана на Земле.
Если удастся использовать термоядерную D + D-реакцию (а не D + Т-реакцию), то энергетический ресурс можно рассматривать как практически неограниченный.
Есть несколько различных предложений о способе практического осуществления управляемой термоядерной D + Т-реакции. Мы остановимся лишь на одном из них.
В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством Л. А. Арцимовича были разработаны установки типа токамак. Название «токамак» произошло от сокращения слов «тороидальная камера с магнитным полем». Создателям этих установок пришлось решать очень трудные задачи. Прежде всего нужно разогреть дейтерий-тритиевую плазму до температуры порядка 100 млн. градусов и достаточно длительно удерживать ее в этом состоянии.
В установке токамак нагревание плазмы до столь высокой температуры достигается за счет протекания через плазму электрического тока очень большой силы — порядка сотен тысяч ампер. Этот огромный ток возбуждается внешним индуктором. Вследствие электрического сопротивления плазмы образуется «джоулево» тепло, за счет которого происходит нагрев плазмы.
Еще более сложной задачей является сохранение (удержание) плазмы. Не может быть и речи, конечно, о соприкосновении плазмы со стенкой — на свете нет такого материала, который остался бы цел (не испарился бы) после такого соприкосновения. В токамаках удержание плазмы производится с помощью магнитного поля. Решающим является то, что плазму составляют частицы, имеющие электрический заряд, — ядра атомов и электроны, на которые можно воздействовать магнитным полем.
Высокотемпературная плазма в токамаке помещается в сосуде, который имеет форму кольца, схож с баранкой или спасательным кругом. Такое геометрическое тело называется тором. С помощью магнитной системы, размещенной вне тора, создается сильное магнитное поле, интенсивность которого возрастает по мере удаления от оси кольцевого канала тора. Плазма отжимается магнитным полем к оси канала тора. Именно в этом и заключается простая, но всегда восхищающая тех, кто с ней знакомится, идея токамака.
Для того чтобы термоядерная реакция могла протекать с большим выделением энергии, требуется еще иметь необходимую концентрацию ядер дейтерия и трития в единице объема (иначе говоря, плотность плазмы), а также достаточное время удержания плазмы. Эти две величины взаимосвязаны: чем выше концентрация ядер атомов, тем меньше необходимое время удержания и наоборот. Численно эта зависимость выражается критерием Лоусона: для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы имеется минимально необходимое значение произведения концентрации ядер и времени удержания плазмы. Для D + Т-реакции и температуры 100 млн. градусов критерий Лоусона равен 3·1014. Это значит, что при концентрации ядер атомов, равной 1014 1/см3, время удержания плазмы должно быть во всяком случае не меньше секунды.
