химический каталог




На пути к неисчерпаемой энергии

Автор К.Гофман

В начале 50-х годов мир был напуган взрывом водородной бомбы. Это были первые неуправляемые термоядерные реакции, выпущенные на волю человеком.

Кое-кто считал, что это прогресс на пути к контролируемому ядерному синтезу; теперь, мол, требуется лишь "обуздать" Н-бомбу. Какая ошибка! Ведь бомба остается бомбой. Цель ни в коем случае не оправдывает средства. С тех пор прошло уже более четверти века. Учитывая бурное развитие науки и техники, можно сегодня с полным правом спросить себя: почему мы не продвинулись вперед с созданием искусственного Солнца на Земле? Что нужно еще сделать, чтобы разрешить, наконец, великую проблему трансмутации - превращение водорода и его изотопов в гелий? Когда Рональд Рихтер в 1951 году пытался осуществить свой "ядерный синтез", он рассчитывал произвести фурор. Но один известный ученый сказал тогда, что господину Рихтеру надо было сделать возможными три невозможные вещи: достичь температуры в несколько десятков миллионов градусов без урановой бомбы, поддерживать эту температуру в течение нескольких секунд и, наконец, создать такое давление, которое имеется в глубине звезд. Однако никто не может достать звезду с неба, даже если он - любимец диктатора! Перечисленные условия являются необычайно жесткими, но они действительно необходимы. Ядра атомов водорода или его изотопов должны слиться, образуя гелий. Однако они отталкивают друг друга из-за своих зарядов. Если же, несмотря на это, ядра атомов подойдут очень близко друг к другу и в конце концов соединятся, то они должны находиться в состоянии плазмы, когда имеются лишь "голые" ядра и свободные электроны. Такое особое состояние материи появляется лишь при температурах в миллионы градусов. В плазменном состоянии существует несколько возможностей превращения водорода в гелий. Теория отдает предпочтение двум реакциям, которые исходят не из обычного водорода, а из его изотопов - дейтерия (D) и трития (Т): D + Т = [4]He+ n + Энергия (1) D + D = [3]He + n + Энергия (2), или D + D = T + H + Энергия Процесс (1) протекает в дейтериево-тритиевой плазме при температурах свыше 40 миллионов градусов, в то время как реакция (2) для своего поджигания требует температуры около 300 миллионов градусов. Следовательно, все не так просто, как представляли себе в 20-х годах Панет и Петерс. Кроме того, недостаточно получить 40 или 300 миллионов градусов, нужно, чтобы при этих температурах плазма была удержана в стабильном состоянии какое-то минимальное время - около 1 с. Далее, для начала синтеза совершенно необходимо определенное число частиц. Эти условия устанавливаются так называемым критерием Лоусона: произведение времени удержания плазмы на плотность частичек для реакции D с Т при рабочей температуре в 100 миллионов градусов должно иметь значение 10[14] с/см[3]. Что это означает? При температуре в 100 миллионов градусов 10[14] реакционноспособных ядер атомов на кубический сантиметр должны быть удержаны в течение, по крайней мере, одной секунды. Если это удастся, то термоядерный реактор начнет работать.

При таких высоких требованиях экспериментальные трудности неизмеримо возрастают. Само по себе проблемой является получение солнечных температур в лабораторных условиях. Правда, в настоящее время можно достичь 100 миллионов градусов, но лишь на доли секунды. Неразрешенными остаются прочие задачи: стабильное удержание плазмы при высокой плотности частиц. При температурах в несколько миллионов градусов частицы являются сверхбыстрыми. В доли секунды плазма растекается и снова охлаждается. Ни один земной материал не может существовать при этих температурах и удержать горячую плазму. В Солнечной системе это удается лишь Солнцу в силу его большой массы и размеров: гравитация удерживает солнечную плазму в космическом вакууме. Из-за проблемы материала вопрос об удержании плазмы был заранее, казалось бы, обречен на провал. К счастью, удалось найти изящное решение: плазму можно удержать мощными магнитными полями.

Как обстоит дело с сырьем для будущих термоядерных реакторов? Этот вопрос следует поставить с самого начала. Дейтерий в виде тяжелой воды находится в Мировом океане практически в неограниченном количестве, правда при "разбавлении" 1 : 6000. Если удастся провести D,D-синтез, то не будет вообще никаких забот об исходном сырье, можно будет буквально "сжигать море": 1 л обычной воды с ее естественным содержанием дейтерия дает столько же энергии, сколько 300 л бензина. 1 г чистого дейтерия выделяет при синтезе 30 000 кВт энергии.

Несмотря на эти заманчивые цифры, полагают, что термоядерный D,D-реактор будет иметь шанс на осуществление лишь в далеком будущем.

Непреодолимым препятствием является ныне температура плазмы в 300 миллионов градусов. А вот эксперименты по термоядерному синтезу с дейтерием и тритием могут быть проведены при более "доступных" температурах. Поэтому все усилия концентрируются исключительно на последнем способе синтеза. Однако трития, наиболее тяжелого изотопа водорода, в природе практически нет. Его можно получить только искусственно в атомном реакторе, а в будущем, быть может, в термоядерном реакторе. Исходным веществом является изотоп лития [6]Li, который содержится в природном литии, к сожалению, только в количестве 7,4 %. Он превращается в тритий при бомбардировке нейтронами: [6]Li + n = T + [4]He На практике в качестве горючего намереваются использовать дейтерид лития (LiD), причем в термоядерном реакторе параллельно будут протекать синтез трития и термоядерный синтез. Но хватит ли лития на Земле? Ответом является условное "да". Природные запасы для атомных и термоядерных реакторов - уран, торий или литий - встречаются приблизительно в одинаковых количествах. В то же время тритий вызывает осложнения, поскольку этот радиоактивный газ легко диффундирует и может проникнуть из реактора во внешнюю среду. Кроме того, радиоактивность может возникать в самих термоядерных реакторах: их металлические части, которые приходится время от времени сменять, становятся радиоактивными за счет нейтронов, выделяющихся при синтезе.

Первоначальное воодушевление в вопросе исследования термоядерного синтеза, которое охватило ученых со времени Женевской конференции 1955 года, вскоре сменилось некоторым спадом. Правда, через год И. В. Курчатов в английском центре атомных исследований, в Харуэлле, доложил о новых советских экспериментах с дейтериевой плазмой с температурой в миллион градусов. Однако быстрых успехов не достигли ни в СССР, ни в Великобритании, ни в США. Американцы в шутку назвали свою установку ядерного синтеза 1957 года perhapsotron. В вольном переводе это означает: "установка, работающая по принципу: то ли будет, то ли нет".

На конференции по физике плазмы и контролируемому термоядерному синтезу в сентябре 1961 года в Инсбруке один из ведущих специалистов, советский физик Л. А. Арцимович, обратился ко всем участникам с сердечной речью. Наше первоначальное предположение, сказал он, что двери в обетованную страну сверхвысоких температур откроются при первом сильном напоре физиков, оказалось столь же необоснованным, как надежда грешника попасть в рай, не пройдя через чистилище. Однако едва ли можно сомневаться в том, что проблема контролируемого термоядерного синтеза будет разрешена. Мы лишь не знаем, сколько еще нам придется пребывать в чистилище.

"Пребывание в чистилище", по-видимому, закончилось в 1968 году. Н. Г.

Басов, один из изобретателей лазера, в руководимом им Физическом институте АН СССР в Москве испытал новый вариант и обнаружил: лазерный луч, сфокусированный на горючем из LiD, запускает реакции термоядерного синтеза.

Для этого вовсе не нужны столь высокие температуры. Достаточно сжать шарики LiD ударными волнами, например мощными лазерными импульсами, направленными со всех сторон на шарик ядерного горючего. Тогда за долю секунды, которой достаточно для запуска процесса ядерного синтеза, плотность горючего многократно возрастает по сравнению с исходной величиной.

В 1969 году французские ученые успешно испытали этот метод на замороженном дейтерии. Когда они направили на дейтериевый лед узкий пучок лучей лазера мощностью в 4 ГВт, они смогли обнаружить, что около 100 атомов вступили в реакции синтеза за один "выстрел" лазера. Являлось ли это успешным началом? В 1972 году ученые США приподняли завесу молчания над аналогичными экспериментами. Они заполняли дейтерием и тритием микробаллончики - крошечные полые стеклянные шарики, которых на 1 кг нужно 2 миллиона штук,- и с помощью лазерных импульсов вызывали в них реакции термоядерного синтеза.

Военные круги США думали сначала, что таким путем, с помощью одних только лучей лазера, они смогут поджигать водородные бомбы - без урановой бомбы.

Однако расчеты показали, что для этого потребовались бы лазеры в тысячи или десятки тысяч раз более мощные, чем те, которыми располагали. Уже нынешние мощные лазерные установки занимают большую площадь, каких же размеров должны быть лазеры для Н-бомб, столь привлекающие футурологов? Пример тунгусского метеорита показывает, что поджиг термоядерной бомбы может произойти и "совершенно естественным путем". 30 июня 1908 года в сибирской тайге, в районе Подкаменной Тунгуски, произошла "катастрофа века".

Слепящий огненный шар со свистом опустился на Землю и взорвался со страшной силой. Даже на расстоянии 300 км из окон повылетали стекла. В Иркутске, Ташкенте, Потсдаме и в ряде других мест зарегистрированы были сейсмические волны, которые несколько раз обошли земной шар. В течение недели в Европе стояли "белые ночи", явившиеся следствием взрыва. В Петербурге и Лондоне прохожие могли ночью на улице читать газету. Что произошло? Наткнулся ли на Землю большой метеорит? Когда, годы спустя, проникли к месту взрыва, оказалось, что лес в окружности 40 км уничтожен, а вокруг - следы больших разрушений. Поразительно, что до сего времени так и не нашли ни малейших остатков метеорита! С тех пор в ходу было много объяснений, часто фантастических: это был гигантский снежный шар из Космоса, разрушенный космический корабль, гигантская стая мошек или же обломок антиматерии из другой Галактики, который полностью превратился в излучение при столкновении с "нашей" материей. Некоторые поговаривали об атомном взрыве.

В Аризоне спилили 300-летнюю сосну Дугласа и исследовали ее годичные кольца на содержание радиоактивного углерода, который образуется при ядерном взрыве и распространяется по всему миру. Действительно, в кольце, соответствующем 1909 году, обнаружили повышенное содержание углерода-14.

Специалисты рассчитали - взрывная сила должна была составить 40 Мт, что соответствует большой Н-бомбе. Идея о термоядерном взрыве долгое время будоражила умы, пока не возник вопрос - кто же, собственно, мог сбросить "бомбу", к тому же еще в 1908 году! Внеземная цивилизация? К возможным объяснениям добавим еще одно: да, это был термоядерный взрыв. Огромный снежный шар из Космоса при столкновении с земной атмосферой разогрелся настолько, что был достигнут критерий Лоусона. Ядра водорода и дейтерия сначала мирно слились с образованием трития, гелия, лития. При дальнейшем повышении плотности смеси из-за продолжающегося сжатия синтез вдруг приобрел характер взрыва. Космическая водородная "бомба" взорвалась - совершенно естественным путем.

Вернемся все же к исходному вопросу. Термоядерный синтез с помощью лазеров таит в себе много проблем. Профессор Н. Г. Басов, однако, смотрит на это оптимистически - с тех пор, как в его институте в Москве функционирует установка лазерного синтеза "Дельфин". В ней советские ученые собираются с помощью лазерных молний довести твердый водород до такой плотности, что он за доли секунды станет в пять раз более плотным, чем тяжелейший из природных элементов - уран. Несмотря на несомненные экспериментальные успехи, еще далеко до создания электростанции на основе лазерного синтеза. Если бы принцип оправдал себя, все равно для термоядерного реактора, вырабатывающего энергию, потребовались бы "баллончики" другого размера: диаметром в несколько сантиметров, вместо 0,1 мм. Чтобы поджечь такие шары горючего недостаточно мощности нынешних лазеров. Это удивительно: ведь современные лазеры, выделяющие энергию в 4-5 кДж в виде молний за миллионные доли секунд, дают в итоге столько же энергии, сколько 200-250 крупных электростанций в 1 000 МВт каждая. В то же время для экономично работающих термоядерных реакторов потребовались бы лазеры приблизительно в 1 000 кДж, а экспериментально до сих пор было достигнуто максимально 10,2 кДж. Мы подчеркиваем, "экономично", ибо пока во всех, даже положительных, экспериментах неизмеримо больше энергии затрачивается, чем получается.

Значит, надо продолжать творческий поиск более мощных лазерных установок.

Помимо ядерного синтеза, индуцируемого лазером, перспективным является также исходный вариант - нагрев D, Т-плазмы, удерживаемой магнитным полем.

Советская установка типа "Токамак" в настоящее время испытана во всех странах, использующих процесс термоядерного синтеза, и признана успешным вариантом. В июне 1975 года в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова в Москве начала работать установка "Токамак 10". Для создания ее колоссального магнитного поля требуются мощности в 130 МВт. Другой агрегат, "Токамак 7", благодаря магнитным катушкам из сверхпроводников требует для обеспечения магнитного поля лишь около тысячной доли этой мощности. "Токамак 10" и его американский вариант Tokamak PLT (Princeton Large Torus[75])*, видимо, последние образцы экспериментальных термоядерных установок. При "генеральной репетиции" с "Токамаком 10" в феврале 1976 года советские специалисты достигли устойчивой реакции ядерного синтеза с дейтерием. Температура плазмы во время процесса составила семь миллионов градусов, что дало значение критерия 1012 с/м3.

Между тем в более поздних опытах на "Токамаке 10" было достигнуто 13 миллионов градусов. При этом за полсекунды, потребовавшейся для начала реакции, установка израсходовала столько электроэнергии, сколько ее вырабатывает электростанция мощностью в 200 МВт за то же время. Мощность "Токамаков" во всем мире год за годом подходит все ближе к той интересной области на диаграмме Лоусона, которая обещает осуществить "Солнце на Земле".

В августе 1978 года в мировой прессе появились сообщения, что ученые из университета в Принстоне (США) достигли большого успеха: за долю секунды в Tokamak PLT удалось достичь температур Солнца - 60 миллионов градусов.

Безусловно, это значительный шаг к решению проблемы. В области исследования мирного термоядерного синтеза американские ученые плодотворно сотрудничают с советскими исследователями. Докладывая об успешном эксперименте, научные работники США подчеркивали, что принцип работы плазменного реактора "Токамак" - разработка советских ученых.

Как пойдет дело дальше? В СССР сейчас конструируют "Токамак 20". Он будет опытным реактором, вырабатывающим термоядерную энергию.

Солнце и звезды служат нам "сияющим примером" реальности контролируемого ядерного синтеза. Поэтому наука стремится соорудить эти неиссякаемые источники энергии на Земле. Решающий вклад для разрешения мировой энергетической проблемы мы видим сегодня в овладении контролируемой термоядерной реакцией.

"Искусство изготовления золота" путем превращения элементов практикуется в настоящее время больше, чем когда-либо, и во многих вариантах. Конечно, "золото" приходится заменить другими понятиями, например, словом "синтетические элементы". Во многих отношениях они стали для нас драгоценнее, чем презренный металл, Превращение элементов, осуществленное с целью синтеза новых химических элементов, привело к высвобождению энергии атома и указало несколько доступных путей для ее получения. Удавшееся превращение элементов принесло человечеству обширные познания. Теперь надо добиться того, чтобы эти знания были использованы на пользу человечества и для прогресса общества.


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
курсы по работе в кореле одесса
операция паховая грыжа у мужчин стоимость
raindance e showerpire 360
вентилятор канальный в шумоизолированном корпусе вип 60х35в

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(03.12.2016)