Взорвав водородную бомбу, человек осуществил термоядерный синтез. Оставалось выполнять главную задачу в термоядерной проблеме - научиться управлять этим процессом, контролировать скорость термоядерного взрыва.
Чтобы взять его под контроль, можно идти двумя путями. С одним мы уже познакомились. Его идея - замедлить течение реакции, растянуть ее во времени.
По этому принципу и создаются устройства с магнитным удержанием плазмы. Такова наша установка Токамак. По замыслу его создателей в термоядерный реактор загружается топливо. С помощью внешних источников энергии оно разогревается и горит несколько минут, чтобы уступить место следующей порции топлива.
На протяжении всего времени горения плазма удерживается с помощью магнитных полей.
Но возможен и другой способ управления этим процессом. Суть его в том, что в реакторе осуществляются термоядерные взрывы гораздо меньшей мощности, нежели в водородной бомбе. В сущности, это микровзрывы. Важно, чтобы устройство, в котором они имеют место, во-первых, выдерживало эти микровзрывы, а во-вторых, "успевало" переводить их энергию в полезную энергию. Отсюда задача - найти способ мгновенного разогрева топлива до термоядерной температуры, и тогда оно взорвется. Затем, непрерывно осуществляя эти микровзрывы, переводить выделяющуюся энергию в удобные для нас формы.
Спрессованный свет
Для управления термоядерным процессом советские физики Н. Басов и О. Крохин в 1964 году предложили для разогрева плазмы использовать лазер.
Чтобы разобраться в сути их предложения, придется сначала ознакомиться с тем, как работает и какими свойствами обладает устройство, названное лазером.
Интересно, что о его прообразе писатели-фантасты заговорили несколько десятков лет назад. Вспомним хотя бы роман А. Толстого "Гиперболоид инженера Гарина".
Не предвидя, конечно, создания известного современному человечеству удивительного прибора, имеющего совершенно иное назначение, автор романа писал: "Первый удар луча гиперболоида пришелся по заводской трубе - она заколебалась, надломилась посередине и упала... Был виден завод, раскинувшийся на много километров. Половина зданий его пылала, как карточные домики. Луч бешено плясал среди этого разрушения".
Лазер называют еще квантовым генератором света.
Родился он в конце 50-х годов нашего века. Главная роль в создании этого источника светового излучения принадлежит советским ученым - Н. Басову, А. Прохорову и американцу Таунсу.
Чем же интересен этот источник света и каковы его особенности?
Одно из присущих ему замечательных качеств - мощность. Чтобы читатель получил о ней представление, воспользуемся таким примером нить обычной лампы накаливания станет испускать такой же яркости свет, как небольшой квантовый генератор, если ее температуру довести до 10 миллиардов градусов, то есть сделать в миллион раз горячее поверхности Солнца.
Несмотря на то что количество энергии, которое лазер "выстреливает" в импульсе, невелико, скажем 0,03- 0,05 ватт-часа, удельная мощность импульса может быть очень высокой - до 1017-1020 ватт в кубическом сантиметре. Для сравнения напомним, что в ядерных реакторах деления удельная мощность колеблется в пределах ог 10 до 1000 ватт в кубическом сантиметре, а в термоядерном - 100 ватт.
Другое замечательное качество лазера, или, точнее, светового излучения, создаваемого им, - это способность концентрировать энергию в фантастически малых объемах. Используя в лабораторных условиях относительно небольшую энергию, скажем равную одной килокалории, можно получить плотность энергии в кубическом сантиметре десять миллионов килокалорий, то есть в миллион раз больше той, какую можно достичь с применением самых эффективных современных взрывчатых веществ.
За счет чего достигается такая концентрация энергии?
Солнце, электрическая лампочка и другие источники излучают свет в виде независимых друг от друга разных по длине волн. Получается это потому, что испускающие свет атомы и электроны при нагревании движутся хаотически. Эти независимые, беспорядочно колеблющиеся волны света невозможно объединить в один узкий пучок. Этим объясняется расширение луча прожектора с расстоянием.
Если же создать устройство, которое заставляло бы атомы излучать световую волну определенной одинаковой длины и не беспорядочно, а согласованно во времени, оно обеспечило бы мощный, нерасходящийся, как говорят, когерентный луч света. Именно таким устройством и является лазер.
Как он работает?
В его рабочее (активное) вещество, которым может быть стекло, газ, жадность, с помощью специальных импульсных электроламп вводится энергия. Молекулы активного вещества тотчас переводятся в возбужденное состояние и излучают свет. Само активное вещество является резонатором - оптической системой из двух параллельных зеркал, обращенных друг к другу отражающими поверхностями. Это может быть рубиновый стержень размером с карандаш с зеркальными торцами. Для вывода излучения из резонатора в намеченном направлении одно из зеркал делается отражающим полностью, а другое частично. Через него и может пройти излучение.
Эта система представляет собой усилитель, который действует так.
Первоначально слабое излучение, вызванное импульсной лампой, проходит через активную среду и вызывает дополнительное высвечивание молекул, находящихся в возбужденном состоянии. Это уже немного усиленное теперь излучение, отражаясь от зеркал и вновь проходя через среду, вызывает излучение следующих молекул и так далее. В результате происходит лавинообразная цепная реакция, приводящая к вспышке лазера.
Перемещая зеркала, можно нарушать условия отражения света, то есть как бы выводить из строя резонатор. Это делается для того, чтобы можно было возбуждать молекулы активной среды до максимально допустимой величины и лишь затем снова "вводить резонатор в строй", заставляя его молекулы в импульсе отдавать энергию.
И еще несколько слов о необыкновенных свойствах лазеров. Эти источники света, несмотря на мощные импульсы, не раскаляются, и их можно считать холодными.
Расходимость лазерных пучков световых волн в конечном счете зависит от точности изготовления и размеров этих приборов. При колоссальныхмощностях потоки излучения подчиняются в пространстве законам геометрической оптики. Поэтому, используя обычные линзы, их можно концентрировать на очень малых мишенях, сравнимых с длиной волны излучения. При этом плотность мощности может достигать 1014-1016 ватт на квадратный сантиметр.
Выше приводилось выражение: "потоки излучения лазера"; а это не совсем верно. На самом деле, лазерный луч представляет собой сгусток энергии, длина которого может быть, скажем, 30 сантиметров, а иногда и меньше.
Оторвавшись от лазера, этот спрессованный сгусток света распространяется по законам оптики. Свет идет в виде сгустка, потому что длительность отдельной вспышки в лазере очень мала: 10^-9-10^-11 секунды.
Пожалуй, вот и все, что необходимо для понимания связи квантового оптического генератора и термоядерной реакции.
Вторая жизнь открытия
Теперь можно вернуться к уже упомянутому предложению Н. Басова и О. Крохина об использовании лазера для получения термоядерной реакции.
В принципе физическая сх.ема осуществления лазерного термоядерного синтеза достаточно проста. На яебольшой шарик (теперь это мишень) замороженной дейтериево-тритиевой смеси направляют этот луч. Шарик мгновенно разогревается. Вскоре его температура достигает нескольких десятков миллионов градусов, то есть того предела, за которым начинается интенсивная термоядерная реакция. Увы, начавшись, она тут же прекратится, так как взрыв термоядерного топлива - ядер дейтерия и трития, превратившихся в плазму, - разбросает это топливо в разные стороны.
Удержать вещество шарика, доведенного до четвертого состояния, невозможно. При плотности вещества в кубическом сантиметре этого шарика 1022-1023 ядер давление плазмы в тысячи раз превысит те силы, которые сегодня можно создавать с помощью магнитных полей для удержания вещества мишеней от преждевременного разлета.
Но, оказывается, для осуществления реакции в такой плотной плазме вовсе не обязательно магнитное удержание. Ведь в ней все произойдет так быстро, что большинство пар дейтерий - тритий успеет прореагировать, образовав ядра гелия за очень короткое время, еще до того, как шарик прекратит свое существование. Какое же это время?
Скорость разлета плазмы при температуре, например, в сто миллионов градусов, равная скорости звука в плазме при этой температуре, составляет около тысячи километров в секунду. Значит, путь, равный размеру шарика, скажем, в несколько миллиметров, плазма пройдет за миллиардные доли секунды. За это время от центра шарика, где в первую очередь и начинается термоядерная реакция, волна разрежения вещества дойдет до верхних наружных слоев, плотность ядер топлива в единице объема станет малой и реакция затухнет.
Характер протекания этого взрыва показывает, что всю энергию лазерного луча, необходимую для возбуждения термоядерной реакции, надо успеть внести за время, по крайней мере не большее, чем время разлета плазмы, образовавшейся из первоначальной прореагировавшей части шарика-мишени. Возможно ли это?
Да, мы об этом уже говорили. Лазер как раз такое устройство, которое позволяет создавать очень короткие импульсы энергии длительностью в 10^-9-10^-11 секунды.
Стоит сказать еще об одном условии, необходимом для осуществления термоядерной реакции. Какое количество энергии, которую должен внести лазерный импульс в шарик за этот короткий миг, чтобы разогреть его до необходимой температуры? Эта энергия, по нашим житейским представлениям, невелика: для шарика весом в один грамм (такой вес и нужен для того, чтобы реакция прошла успешно) эта величина колеблется в пределах от 30 до 300 киловатт-часов.
Действительно, не очень-то много. Однако, если вспомнить, что энергия, выстреливаемая лазером в импульсе, составляет всего несколько сотых долей ваттчаса, то ясно, что одним лазером ничего поделать нельзя. Значит, для получения импульса с минимальной для начала реакции величиной энергии, хотя бы в 30 киловатт-часов, придется "взять в упряжку" миллионы лазеров! Практически такая задача совершенно невыполнима. Перед этой фантастикой отступили даже наиболее оптимистично настроенные ученые. И казалось, что работа зашла в тупик. Это был один из самых трудных переломных моментов в исследованиях по лазерному термоядерному синтезу. Но тут группа ученых "выдала" довольно простую идею. Вот ее смысл: до нагревания шарика необходимо сильно увеличить его плотность с помощью энергии того же лазера. Это позволит тогда существенно уменьшить необходимую для зажигания реакции энергию лазера.
Сама идея безударного адиабатического сжатия, безусловно, не только хорошо известна и применяется специалистами, но и изложена во множестве учебников и монографий. Тем не менее в применении к проблеме лазерного термоядерного синтеза она оказалась принципиально новым техническим решением.
Чтобы сжать шарик из термоядерного топлива и увеличить его плотность в десятки тысяч раз, нужно создать на его поверхности давление, равное, например, давлению в центре Солнца. Полагают, что за счет сил гравитации оно гам равно ста миллиардам атмосфер.
Сто миллиардов атмосфер! Сопоставим эту величину с привычными мерками. Всяческими механическими ухищрениями или детонацией взрывчатых веществ достигают только около миллиона атмосфер. За счет сферического взрывного обжатия можно это давление увеличить еще примерно в 10 раз.
Собственно лазерное излучение создает на поверхности шарика огромное давление в 100 миллионов атмосфер! Но этого еще мало! Нужно больше. Необходимое давление получается "автоматически": при взаимодействии луча лазера с поверхностью шарика вещество поверхности шарика взрывается и начинает разлетаться, создавая импульс давления, направленный внутрь шарика, то есть сжимает шарик. Этот импульс гораздо больше того, что создается самим лучом. Те, кто интересовался работой реактивных двигателей, знают, что при равной мощности двигатель с материальным рабочим телом, например водородом, создает большую тягу (то есть давление), чем фотонный (световой). Значит, сжатие шарика, создаваемое реактивным действием плазменной струи испаряющегося вещества, больше, чем действие лазерного луча. Вследствие этого эффекта давление светового луча на поверхности шарика увеличивается еще в 100 раз. Наконец оно может возрасти почти на столько же за счет применения взрывного обжатия шарика.
В конечном счете лазер может создать в шарике из топлива давление, сравнимое с давлением в центре Солнца.
Существует, однако, на этом пути серьезное препятствие. Если пытаться брать данную крепость, что называется, "в лоб", одним ударом лазерного луча, то почти ничего не получится, так как плотность шарика увеличится всего в несколько десятков раз. Ее возрастанию помешает быстрый нагрев шарика, а с ростом его температуры станет расти его внутреннее давление (или упругость). А это будет препятствовать дальнейшему сжатию, и разогретый шарик, не успев как следует сжаться, начнет расширяться. В противовес этому было предложено не простое, а "безударное адиабатическое"
сжатие.
Приближенно его можно осуществить, если, меняя во времени мощность лазерного луча, произвести вначале обжатие шарика медленное, чтобы скорость сжатия на начальном этапе была меньше скорости звука в шарике и в нем не создавались бы ударные волны. Отсюда "безударное" сжатие, то есть отсутствие ударных волн, которые в противном случае, уходя вперед от фронта сжатия, разогревали бы шарик. Так как они не возникают почти до конца сжатия, то шарик не разогревается, поскольку в него не вносится тепло (адиабатическое сжатие). Затем на последнем этапе можно сильно увеличить мощность луча и разогреть шарик. При таком сжатии плотность в нем ядер возрастет в несколько тысяч раз и сможет достичь 1000-2000 граммов на кубический сантиметр.
Такая плотность в шарике из дейтериево-тритиевой смеси существенно меняет характер протекания термоядерной реакции. Поскольку количество ядер в единице объема возрастет, они начнут сталкиваться, как говорится, на каждом шагу. При увеличении плотности вещества в десять тысяч раз, в сто миллионов раз возрастет скорость термоядерной реакции, которая зависит от квадрата плотности вещества. А это означает, что за то время, пока шарик удерживается инерциальными силами, успевает сгореть большое количество термоядерного топлива даже при меньшей температуре разогрева. Выделившаяся при этом энергия во много раз превысит энергию лазерного луча, затраченную на разогрев и сжатие шарика.
Так, используя очень небольшую часть энергии лазера на уплотнение шарика, можно создать гораздо лучшие условия для осуществления термоядерной реакции, то есть значительно снизить требования к величине энергии, которую должен дать лазер для возбуждения термоядерной реакции.