Термоядерное оружие

Глава 8. ПЕРСПЕКТИВЫ МИРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

Советский Союз, располагая всеми видами атомного и водородного оружия, добивается, как известно, запрещения его с тем, чтобы все силы можно было направить на разрешение вопросов, связанных с мирным применением атомной энергии,

СССР создал первую в мире атомную электростанцию, которая с 27 июня 1954 г. дает ток в общую сеть района. Мощность сданной в эксплуатацию атомной электростанции составляет 5 тыс. квт.

В принятых на XX съезде КПСС директивах по шестой пятилетке говорится о задачах мирного применения атомной энергии: «Значительно расширить в шестой пятилетке применение атомной энергии в мирных целях. Построить в течение 1956–1960 годов атомные электростанции общей мощностью 2–2,5 миллиона киловатт. Сооружение атомных электростанций производить в первую очередь в районах, не имеющих собственной топливной базы. Развернуть работы по созданию атомных силовых установок для транспортных целей. Построить ледокол с атомным двигателем. Всемерно развивать работы по дальнейшему использованию радиоактивных излучений в промышленности, сельском хозяйстве и медицине, в частности, для контроля за качеством материалов, для управления производственными процессами и автоматического регулирования этих процессов, а также для диагностики и лечения различных болезней. Шире использовать применение меченых атомов в научно-исследовательских работах. Значительно увеличить производство дозиметрической и радиометрической аппаратуры, приборов контроля и управления».

Использование атомной энергии в десятки раз увеличит энергетические ресурсы человечества и в случае ее широкого применения для мирных целей поможет значительно ускорить движение нашей страны и всего лагеря социалистических стран к заветной цели — построению коммунистического общества.

В настоящее время одной из важнейших задач, стоящих перед наукой, является задача дальнейшего расширения энергетических ресурсов и, в частности, разработка методов проведения управляемых термоядерных реакций с целью их использования для мирных целей. Разрешение этой задачи неизмеримо расширит ресурсы энергии, так как запасы водорода и других легких элементов на земле практически неисчерпаемы.

При всей грандиозности запасов энергии, таящихся в естественных расщепляющихся материалах — в уране и тории (эти запасы превышают примерно в 17, а по другим данным — в 40 раз наличные запасы угля, нефти и газа), они все же ограничены. Кроме того, добыча, обогащение и приготовление делящегося ядерного горючего сопряжены со значительными трудностями. При оценке запасов энергии синтеза легких ядер речь идет поистине об астрономических цифрах. В самом деле, в гидросфере (в океанах, морях, озерах, реках и т. п.), масса которой равна 1 400 миллионов миллиардов тонн (1,4∙10¹⁸ т), содержится почти 25 000 млрд. т дейтерия, а при превращении всего одного грамма дейтерия в гелий выделяется энергия в 100 тыс. квт-ч. Достаточно сказать, что всего 6% энергии первого (и наиболее слабого) из произведенных до сих пор термоядерных взрывов хватило бы для прорытия Панамского канала, где пришлось вынуть 183 млн. м³ грунта.

Мирному применению термоядерных реакций способствует также то обстоятельство, что, в отличие от реакции деления урана, продукты синтеза легких ядер (в основном Не⁴) нерадиоактивны. Однако выделяющиеся нейтроны, поглощаясь окружающим веществом, могут привести к радиоактивному отравлению среды.

Следует, однако, ясно себе представить, что задача овладения термоядерными реакциями для мирных целей не является простой и легко разрешимой. Термоядерная реакция даже в смеси дейтерия с тритием начинается при температурах порядка нескольких миллионов градусов. Термоядерные реакции с участием других элементов идут при еще более высоких температурах. Не существует таких материалов, из которых можно было бы изготовить аппаратуру, работающую при столь высоких температурах. Это является одной из причин, затрудняющей проведение термоядерных реакций в больших масштабах для практического использования энергии, выделяющейся при этих реакциях. Тем не менее в СССР, США и Англии ведутся научно-исследовательские работы, имеющие своей целью изыскать пути для проведения управляемых термоядерных реакций.

Пока запалом для возбуждения термоядерных реакций служит только атомная бомба, которая сама обладает огромным разрушительным действием, трудно говорить о мирном применении термоядерных реакций. Не исключены, однако, другие методы, позволяющие поднять температуру настолько, чтобы могли происходить термоядерные реакции. Бóльшая часть работ, ведущихся в этом направлении в капиталистических странах, засекречена.

Рассмотрим в качестве примера два метода, предложенные для проведения управляемых термоядерных реакций, которые описаны в литературе.

В США предложено получать высокие температуры для осуществления термоядерных реакций путем столкновения ударных волн. Мы знаем, что во фронте ударной волны температура и давление резко повышаются. Столкновение ударных волн способствует еще большему повышению температуры и давления. Температура может быть резко повышена также, если направлять ударные волны через суживающуюся коническую трубку, фокусируя энергию в самом узком месте сечения. Теория показывает, что этим методом можно поднять температуру очень высоко. Однако чем ýже трубка, тем быстрее тепло передается стенке, что, разумеется, снижает температуру газа. В настоящее время этим методом удалось получать в течение короткого времени температуры около 30 000 градусов, что, конечно, недостаточно для проведения термоядерных реакций. Все возможности этого метода еще далеко не использованы и опыты по его усовершенствованию продолжаются.

Одна из работ по управляемым термоядерным реакциям, проведенная в СССР, была доложена академиком И. В. Курчатовым в Англии в апреле 1956 г. В своем выступлении после возвращения из Англии академик И. В. Курчатов сказал:

«С разрешения партии и правительства я доложил на заседании английских физиков о некоторых работах Академии наук СССР по управляемым термоядерным реакциям.

Я счастлив тем, что правительство моей страны проявило благородную инициативу и первым в мире решило снять секретность с этих работ.

Английские ученые тепло встретили доклад и просили меня передать свое восхищение ученым, выполнившим работу».

Группа советских ученых, о работах которых идет речь, предложила получать высокую температуру путем пропускания электрического разряда через газ, находящийся в трубке. Чем выше напряжение и чем сильнее электрический ток, тем больше выделяется тепла в газе и тем выше поднимается его температура. Главная трудность заключается в том, чтобы при электроразряде стенки трубки не нагрелись до температуры плавления, а сам газ или хотя бы его часть нагрелась до температуры, измеряемой миллионами градусов.

Оба эти требования удалось выполнить остроумным и в то же время простым приемом. Теоретические расчеты показали, что когда электрический ток в трубке возрастает, возникают магнитные силы, стремящиеся сжать электроразряд, оторвать его от стенок трубки и резко уменьшить его поперечное сечение.

Упомянутые магнитные силы преодолевают электрические силы отталкивания, существующие между одноименно заряженными частицами. Чем сильнее разрядный ток, тем отчетливее должно сказываться сжатие электроразряда.

Разрядная трубка, в которой проводились опыты для проверки теоретических расчетов, схематически изображена на рис. 75.

В трубку помещался дейтерий или его смеси с различными газами при давлении около 0,0001 атм. Когда к трубке прилагалось напряжение около 50 000 в, то через трубку проходил ток, сила которого в течение нескольких миллионных долей секунды возрастала приблизительно до 500 000 а. В начале разряд заполнял всю трубку, концентрируясь около стенок, как показано на рис. 75,а. Далее разряд быстро сжимался, приобретал форму тонкого ярко светящегося шнура, как показано на рис. 75,б, в и г. Потом сила тока начинала быстро уменьшаться, и разряд прекращался. Несколько увеличенных фотографий средней части разряда, снятых последовательно по мере его сжатия, приведено на рис. 76. Эти фотографии были получены при помощи прибора, позволяющего в течение стотысячной доли секунды производить двадцать снимков. Приведенные на рис. 76 фотографии а, б, в и г показывают, как сжимался шнур во время разряда, что отвечает переходу от картины, схематически изображенной на рис. 75,а, к картине, изображенной на рис. 75,г.

Благодаря действию магнитных сил атомные ядра, сосредоточенные в тонком шнуре разряда, не могут достичь стенки и поэтому не передают ей своей энергии. В результате резко уменьшаются тепловые потери и температура в шнуре разряда повышается до миллионов градусов, в то время как стенка трубки нагревается незначительно. Так как ядра дейтерия из всего объема трубки собираются в незначительном объеме, причем температура резко повышается, давление в шнуре может подняться до нескольких миллиардов атмосфер. При столь высоком давлении и температуре в шнуре могут происходить термоядерные реакции, например образование ядер легкого изотопа гелия из ядер дейтерия по схеме

Эта реакция сопровождается выделением около 25 млрд. кал на 1 г образовавшегося гелия. В разрядной трубке находится около 0,1 мг (миллиграмма) дейтерия, и лишь ничтожная его часть расходуется на образование гелия. Поэтому тепло, выделяющееся при описанных опытах за счет термоядерной реакции, не представляет никакой опасности для экспериментатора.

О том, что в шнуре разряда действительно происходят ядерные реакции, лучше всего можно судить по наличию или отсутствию нейтронов. Нейтроны не имеют электрического заряда, и поэтому магнитные силы не удерживают их в шнуре разряда. Образовавшись при ядерной реакции, они с большой скоростью вылетают из разрядной трубки. Для обнаружения нейтронов в этих опытах применялась серебряная пластинка, помещенная рядом с разрядной трубкой в парафиновом блоке, как показано на рис. 75,д.

Быстрые нейтроны, попадая в парафин, сначала замедляются, а потом захватываются ядрами серебра по реакции

Образующийся изотоп серебра радиоактивен. Он быстро распадается, выбрасывая бета-частицы. Измерение активности серебряной пластинки после разряда показало, что в ней образовался радиоактивный изотоп — серебро 108, что свидетельствует об испускании во время разряда нейтронов.

Опыты, имеющие целью исследовать возможность проведения термоядерных реакций в мощных разрядах, проводились советскими учеными в различных условиях. Давление газа изменялось от десятитысячных долей атмосферы до 1 атм, прилагаемое напряжение — от 20 тыс. до 100 тыс. в, максимальная сила разрядного тока от 100 тыс. до 2 млн. а. Длина разрядного промежутка изменялась от 5 см до 2 м, а диаметр трубки — от 5 до 60 см.

В этих опытах с несомненностью было доказано, что в шнуре разряда образуются нейтроны, но пока еще не ясно, являются ли они продуктом термоядерной реакции или образуются в результате каких-то новых, еще не изученных процессов.

В недавно вышедшей в США новой книге Ральфа Лэппа «Атомы и люди» автор пишет: «Мы испытали чувство досады, что человек из-за „железного занавеса“ (академик И. В. Курчатов — Прим. авт.) первый рассказал… о контролируемой водородной энергии».

В настоящее время продолжаются работы по созданию установки, в которой можно было бы проводить контролируемую термоядерную реакцию. Расскажем о схеме работы одной из таких предполагаемых установок.

Смесь дейтерия с тритием подается в ионизатор, откуда ионы поступают в активную зону реактора, где при высокой температуре они удерживаются вдали от стенок магнитным полем. Выделяющаяся при термоядерной реакции энергия уводится расплавленным литием. При реакции дейтерия с тритием выделяются нейтроны, которые захватываются литием, причем образуется тритий. Нагретый литий отдает в теплообменниках тепло воде. Это тепло используется для получения электрической энергии. Из расплавленного лития в очистительной колонне выделяется тритий, который используется в термоядерной реакции.

Основная трудность в реализации подобной установки — создание мощных магнитных полей, способных удержать поток ионов вдали от стенок реактора.

Недавно член-корреспондент Академии наук СССР Я. Б. Зельдович высказал предположение о возможности существования нового типа ядерных реакций, связанных с выделением большого количества энергии. Известно, что если отнять электрон у молекулы водорода, то образуется положительно заряженный молекулярный ион водорода Н⁺₂. В этом ионе два протона связываются одним электроном. Расстояние между протонами составляет приблизительно 10^-8 см. Если бы удалось заменить в этом ионе электрон отрицательным мезоном, масса которого превосходит массу электрона в 200 раз, то, как показывают теоретические расчеты, расстояние между протонами уменьшилось бы также в 200 раз, то есть было бы меньше 10^-10 см. При этом взаимодействие между ядрами резко усилилось бы. Если бы ион образовался из ядер тяжелого водорода D и легкого водорода Н, то могла бы произойти ядерная реакция

связанная с выделением энергии около 5,4 Мэв.

Теоретические предсказания Зельдовича были блестяще подтверждены опытами американского физика Альвареца. Этот физик направил пучок мезонов, полученный при помощи ускорителя, в камеру, заполненную жидким водородом. Так как пролетающий через водород мезон вызывает ионизацию и выделение энергии, вдоль его пути образуется большое число пузырьков водорода, как видно из фотографии, приведенной на рис. 77. Мезон образует ион DH⁺, который превращается по приведенной выше реакции в Не³, причем мезон выбрасывается с большой энергией и летит до возникновения нового иона DH⁺ с образованием нового ядра Не³. Таким образом, мезон является как бы катализатором, облегчающим соединение дейтрона с протоном. Однако мезон недолговечен — он живет около 10^-6 секунды — и вскоре распадается с образованием электрона, траектория которого хорошо видна на фотографии.

Водородная камера помещена между полюсами электромагнита. Под влиянием магнитного поля траектория электрона искривляется, и он летит по окружности.

Хотя эти реакции не могут быть использованы для получения больших количеств атомной энергии, они имеют важное значение, так как ими доказана возможность реализации ядерных реакций нового типа.

Английские ученые по примеру советских ведут работы по исследованию управляемых термоядерных реакций. В их установке «Зэта» также замечено появление нейтронов при пропускании электрического тока около 200 тысяч ампер, в результате чего температура разреженного газа (дейтерия) достигла 5 млн. градусов. Нагретое состояние поддерживается в течение нескольких тысячных долей секунды. Эта установка предназначена для научных опытов и прикладного значения еще не имеет. Освобождающаяся в ней термоядерная энергия в миллион раз меньше затрачиваемой энергии. Работы английских физиков очень близки по результатам к работам, которые были ранее проведены советскими физиками.

Дальнейшие работы по изучению различных методов возбуждения ядерных и термоядерных реакций продолжаются, и можно не сомневаться, что они в конечном счете увенчаются успехом. Однако потребуется еще ряд лет напряженной исследовательской работы ученых, чтобы получить знания, необходимые для проектирования промышленного термоядерного реактора. Принятие предложений СССР о запрещении использования атомного и водородного оружия явилось бы большим стимулом для ученых всех стран работать только над мирным использованием термоядерной энергии.