Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В золе ядерного горючего содержится 450 сортов атомов, среди них уран-237 и нептуний-239, которые превращаются в нептуний-237 и плутоний-239.

В отличие от угля или нефти, ядерное горючее не сгорает до конца. Ядерные реакторы работают в ряде случаев на обогащенном топливе с содержанием урана-235 между 2,5 и 3,5 %. Реактор прекращает в какой-то момент давать энергию, потому что в процессе распада образуется большое число изотопов, которые захватывают нейтроны и препятствуют продолжению реакции деления. При остановке реактора в ядерном горючем остается примерно 1 % урана-235 и несколько меньшее количество плутония-239.

Не приходится и говорить, что выбрасывать эту золу, содержащую столь значительное количество ценного горючего, крайне нецелесообразно. Поэтому с атомной электростанцией можно «спаять» большую химическую фабрику. Это предприятие должно быть полностью автоматизировано, поскольку приходится обрабатывать материалы, обладающие очень сильной радиоактивностью. Необходимость в серьезных мерах диктуется требованием оградить персонал от гамма-излучения.

На этих фабриках обработанные горючие элементы должны быть размельчены, растворены. Чистое горючее должно быть выделено (уран и плутоний) и возвращено для изготовления новых горючих элементов.

Остаются значительные количества бесполезного сильно радиоактивного раствора, которые надо где-то похоронить. При этом должна быть полная уверенность, что в течение многих столетий с местами захоронения не произойдет каких-либо драматических событий.

Специалисты настроены более или менее оптимистически. Полагают, что хранение бочек с радиоактивным раствором на глубинах порядка 1 км в специально подобранных для этого местах гарантирует 100 %-ную безопасность. Какие же места являются подходящими? Это должны решить геологи. Разумеется, подходят области, где исключается возможность землетрясений. Кроме того, нужно гарантировать отсутствие подземных водяных течений. Таким условиям удовлетворяют места соляных залежей. Нельзя просто сбрасывать бочки в километровый колодец. Для того чтобы обеспечить рассеяние тепла, выделяемого каждой бочкой, их надо размещать по крайней мере на расстоянии 10 м друг от друга.

Как уже говорилось, химические и ядерные реакции очень схожи. Поскольку тепло выделяется не только при реакциях разложения, но зачастую и при соединении двух молекул в одну, то можно ожидать что и атомные ядра ведут себя подобным образом.

Ответить на вопрос, какие реакции слияния ядер могут оказаться энергетически выгодными, зная массы атомных ядер, совсем нетрудно.

Ядро дейтерия имеет массу 2,0146 а. е. м. Если два ядра сольются в одно; то образуется ⁴Не. Но его масса 4,0038, а не 4,0292. Избыток массы 0,0254 а. е. м. эквивалентен энергии, равной примерно 25 МэВ, или 4∙10^-12 Дж. В 1 г дейтерия 0,3∙10²⁴ атомов. Так что если бы такая реакция прошла, то 2 г дали бы 10¹⁸ Дж энергии!.. Оказывается, что наиболее перспективными являются реакции слияния тяжелых изотопов водорода — дейтерия, трития. Но и обычный водород тоже годится в качестве термоядерного горючего.

Термины, которыми мы пользуемся, носят совершенно условный характер. Во всех случаях речь идет о ядерной энергии. Но так уж сложилось, что энергию расщепления атомных ядер стали называть атомной энергией, а энергию слияния — термоядерной. Логики в этих терминах маловато. Но к ним привыкли.

«Термояд» (жаргонное слово) мог бы обеспечить землян энергией на миллионы лет, и при этом уровень воды в Мировом океане заметно бы не понизился. Так что можно считать термоядерную энергию даровой.

Но от идеи до ее осуществления дистанция огромная. Ведь все атомные ядра заряжены положительно. Ясно, чтобы подвести их на близкое расстояние друг к другу, нужна огромная энергия.

Откуда ее взять? Единственная возможность — это перевести вещество в состояние плазмы, т. е. оголить атомные ядра, а потом повысить температуру плазмы настолько, чтобы ядра начали соударяться (т. е. приблизились друг к другу на расстояние 10^-13 см), презрев электрическое отталкивание.

Результат расчета крайне огорчителен. Предоставляю вам самим подсчитать величину энергии электростатического отталкивания по формуле е2/r, а затем прикинуть (для этого надо вспомнить формулу, которая связывает температуру с кинетической энергией любой частицы), каких температур надо достигнуть. Окажется, что десятков миллионов кельвинов.

Итак, надо создать высокотемпературную плазму. Есть два пути — один, по которому отряды физиков шагают уже более двух десятилетий, и другой, который лет на пятнадцать моложе.

Первый путь создания термоядерного реактора заключается в том, чтобы «загнать» плазму в «магнитную бутылку».

Если на газоразрядную трубку наложить магнитное поле, совпадающее по направлению с полем электрическим, то в такой трубке возникнет плазменный шнур. Заряженные частицы плазмы будут, как мы знаем, описывать спиральные траектории. Можно считать, что движение частиц складывается в один круговой поверхностный ток. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус плазменного шнура. Сила, которая действует на ток заряженных частиц со стороны магнитного поля, и есть причина образования шнура, не соприкасающегося со стенками газоразрядной трубки.

Таким образом, в принципе возможно создать плазму, которая «висит в воздухе».

Расчет показывает, что при начальном давлении водорода порядка 0,1 мм рт. ст., радиусе шнура 10 см и силе разрядного тока 500 000 А температура плазмы должна быть достаточной для того, чтобы начался термоядерный синтез.

На пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят очень большие трудности. Дело в том, что плазменный шнур по ряду причин оказывается весьма неустойчивым и расплывается через мгновения. Задача решается лишь в том случае, если удастся создать «магнитную бутыль» с «обратной связью»: требуется, чтобы случайные флуктуации, размывающие шнур, приводили к возникновению сил, которые стремились бы противодействовать размытию.

В середине 1978 г. группе американских физиков, работающих в Принстонском университете, удалось разогреть плазму до 60 млн. кельвинов. Этот успех был достигнут на разработанных в Советском Союзе «магнитных бутылях» (мы о них говорили в 3-й книге), получивших название «Токамак» (название происходит от сочетания трех слов: тороид, камера, магнит). Достигнутая температура достаточна для того, чтобы произошло слияние ядер дейтерия и трития.

Это большое достижение. Однако второй шаг еще не сделан. Не удается удержать горячую плазму достаточно длительное время. Пути технического осуществления этой задачи еще не очевидны. Создание управляемого термоядерного синтеза может оказаться задачей чрезвычайно дорогостоящей. Как бы то ни было, исследования в этой области продолжаются.

Ведутся работы по созданию управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. В настоящее время осуществлены лазеры с мощностью излучения около 10¹² Вт, которая может быть, в виде световых импульсов длительностью 10^-9—10^-10 с, подана на вещество, которое мы хотим превратить в плазму. Естественно, что при падении света этой колоссальной мощности на твердое тело вещество мгновенно ионизуется и переходит в состояние плазмы. Надо добиться такого положения дел, чтобы создалась дейтериево-тритиевая плазма, имеющая температуру 10⁸ К, и чтобы эта температура поддерживалась до тех пор, пока не начнется цепная реакция. Для осуществления этой задачу требуется создать плазму возможно большей плотности, чтобы увеличить число столкновений ядер.

На этих соображениях основывается схема реактора, показанная на рис. 6.3.

Твердый (замороженный) шарик, состоящий из изотопов водорода, падает в сосуде, откачанном до высокого вакуума. Когда шарик проходит через центр сосуда, включаются сильные лазеры, которые превращают твердое тело в плазму. Чтобы реактор заработал, надо добиться такой ситуации, при которой за промежуток времени между началом и концом реакции была бы выделена энергия, поддерживающая температуру, необходимую для протекания реакции. Расчеты показывают, что плотность плазмы должна быть выше плотности твердого тела в 10³—10⁴ раз, т. е. в 1 см³ должно находиться что-нибудь около 10²⁶ частиц. Это сжатие лазер способен создать.

В принципе возможно получить нужную температуру и нужную плотность. Как будут разыгрываться события дальше? Энергия слияния ядер передается нейтронам, которые освобождаются при реакции. Эти нейтроны падают на литиевую оболочку сосуда. Литий через теплообменник передает энергию турбогенератору. Часть нейтронов реагирует с литием и производит тритий, который нужен как горючий материал.

Принцип прост. Но до его осуществления далеко, и притом вполне возможно встретиться с новыми неожиданными явлениями. Очень трудно пока что предсказать, какие требования надо предъявить к описанной установке, чтобы она превратилась в источник энергии. Исследователи уверены, что на пути создания столь большой мощности внутри малых объемов вещества будут открыты новые явления.

Превращение солнечной энергии в электрическую при помощи фотоэлементов известно уже давно. Однако до самого последнего времени никто не рассматривал возможности положить, это явление в основу действия электростанции. На первый взгляд такое предложение; может показаться дикой фантазией. Для того чтобы создать электростанцию мощностью 1000 МВт, надо настелить солнечные ячейки — так называют фотоэлементы, специально приспособленные для превращения солнечной энергии в электрическую, — на площадь 6 х 6 км². И это в такой солнечной местности, как пустыня Сахара! A, скажем, в средней Европе, где солнечных дней не так уж много, площадь должна быть по крайней мере удвоена. Чистая фантазия, — воскликнет читатель; и в какую сумму обойдется такая электростанция!

Справедливое возражение. Но бросьте на другую чашу весов достоинства этого способа получения энергии. Мы не тратим никакого земного вещества и не загрязняем среду какими бы то ни было отходами. Не являются ли эти два довода столь сильными, чтобы заняться всерьез исследованием создания как можно более дешевых солнечных ячеек, а также способов оптимального размещения ячеек и фокусировки солнечных лучей? Многие исследователи убеждены не только в том, что проблема заслуживает серьезного внимания, но надеются, что именно на этом принципе и будут работать электростанции будущего. Так полагает и автор этой книги. Не исключено, что через несколько лет именно эту задачу назовут проблемой номер один.