Страницы истории науки и техники

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.