С каждым годом все большую роль в общем балансе энергетики играют атомные электростанции. В десятой пятилетке прирост их мощности увеличился почти в десять раз, тогда как мощность всех ГЭС выросла только на 30 %. Атомные реакторы, бывшие раньше единичными, уникальными сооружениями, поставлены на поток.
Чем объяснить, что такое большое внимание во всем мире уделяется этому способу получения энергии? Ведь по сути дела АЭС — это та же тепловая электростанция, только с другим топливом.
Прежде всего, ядерная энергетика будто создана специально, чтобы помочь человечеству преодолеть топливно-энергетический кризис. Знаете, сколько нужно топлива современной достаточно мощной ГРЭС?.. В день несколько железнодорожных составов! Они должны не только привезти уголь и выгрузить его, но и погрузить золу и увезти ее подальше от электростанции, куда-то на свалку. Чтобы добыть уголь, нужно вспороть земную поверхность, оставить на ней незаживающие раны. Чтобы убрать золу, нужно засыпать бесплодными отходами часть поверхности земли… Дорогой, драгоценной поверхности, которой и так не слишком много приходится на все увеличивающееся и увеличивающееся народонаселение нашей планеты.
А теперь об атомной электростанции. Одной заправки реактора ядерным топливом — плутонием и природным ураном — хватает ему больше чем на год работы. Причем за все это время из загруженного «топлива» «выгорит» не более одного-двух процентов материала, способного к делению. Это значит, что, кроме экономии природных ресурсов, атомные электростанции резко снижают загрузку железных дорог и транспортные расходы. Возле них нет бесконечных поездов, груженных топливом. В залах не слышен рев угольных топок. Нет гор золы, туч дыма…
А ведь выработка электроэнергии хоть и главная задача современности, но не единственная.
Наступило время подумать и о других сферах применения атомной энергии: о выработке промышленного и отопительного тепла, о включении атомной энергетики в металлургию и химическую промышленность. Это задачи значительно более крупного масштаба, чем электроэнергетика. В нашей стране на эти нужды расходуется около трех четвертей добываемых горючих ископаемых. А попробуем представить, что даст применение атомного тепла на современном металлургическом комбинате. Ведь редко когда так повезет, чтобы и топливо и руда находились совсем близко друг от друга. Чаще их приходится куда-то доставлять. А вы представляете себе, насколько огромная энергоемкость ядерного горючего снизила бы загрузку железных дорог? Кроме того, современной выплавке чугуна или стали неизбежно сопутствуют тысячетонные выбросы углекислого газа и сернистого ангидрида. Сколько приходится тратить средств на устройство фильтров и прочих очистных сооружений! И все равно газы никуда не денешь…
Применение же технологического тепла от ядерных реакторов сразу освободит металлургические комбинаты от золы, копоти, от завесы пыли и дыма. Количество вредных отходов, отравляющих землю, воду и воздух, уменьшится в тысячи раз.
А ведь, кроме чугуна и стали, существуют еще такие энергоемкие производства, как получение алюминия, производство цинка, крекинг и реформинг нефти и нефтепродуктов, синтез хлорвинила, этилена и аммиака в химической индустрии. Да нет, кажется, сегодня такой отрасли хозяйства, которой не нужны были бы электричество и тепло.
Еще Игорь Васильевич Курчатов, намечая пути развития ядерной энергетики, говорил с трибуны XX съезда КПСС: «В отличие от обычного топлива — угля и нефти — ядерное топливо, сжигаемое в атомных реакторах, позволяет получать новые вещества — плутоний и другие, которых нет в природе и которые также являются ядерным топливом. Это так называемый процесс воспроизводства ядерного горючего. Количество образующихся новых веществ зависит от условий проведения цепной ядерной реакции. Есть условия, в которых новое ядерное топливо образуется в больших количествах, чем количество сгоревшего в цепном процессе исходного ядерного топлива. Получается как бы так, что сожжешь в топке уголь, а выгребешь вместе с золой еще больше угля».
В этом, собственно, и заключается главная особенность и отличие реакторов на быстрых нейтронах от реакторов на тепловых, или медленных, нейтронах. В «быстрых» реакторах, пережигая ядерное горючее одного вида, накапливаются еще большие количества новых делящихся материалов. Поэтому «быстрые» реакторы часто называют реакторами-размножителями, или бридерами.
В нашей стране накоплен немалый опыт работы уже не просто экспериментальных «быстрых» реакторов, но и промышленных установок, призванных работать на нормальных АЭС. Например, в третьем блоке Белоярской АЭС имени И. В. Курчатова на каждый килограмм сгоревшего ядерного топлива воспроизводится полтора килограмма нового, готового к дальнейшей работе. А одна из первых в мире АЭС на «быстрых» реакторах, работающая уже много лет в нашей стране на берегу Каспийского моря, не только исправно дает электроэнергию, но и опресняет воду.
Конечно, в разных местах и в разных условиях нужно решать топливно-энергетические задачи в зависимости от условий. Поэтому в устьях некоторых рек, где велики силы прилива и отлива, целесообразно строить приливные электростанции, а в местах, где близко к поверхности располагаются центры подземных вулканических очагов, — геотермические электростанции. Примеры подобных сооружений тоже уже имеются в нашей стране.
Рост населения Земли, интенсификация сельского хозяйства, научно-техническая революция, наконец, развитие самой цивилизации требуют прежде всего основы основ — энергии. Когда-то мы говорили о водопадах ее, теперь нам не хватает океанов…
К концу XX столетия люди практически свели леса с поверхности Земли, близки к истощению и легкодоступные недра, бесконечно богатые, как еще недавно казалось, нефтью, каменным углем, газом. Люди подобрали все, что лежало под руками. Ведь человечество уже многие века борется за существование, понимая, что призрак энергетического голода стоит на пути прогресса. Нужно постоянно искать новые способы получения энергии. Атомная энергия, которую, как выяснилось, можно превратить сначала в тепловую, а потом в электрическую, — один из таких способов.
Но природа ничего не дает даром. За новые источники энергии нужно платить. Чем? Прежде всего — усложнением техники. Вместо нехитрой топки парового котла — реактор! Новое, очень сложное устройство. Впрочем, любая техника сама по себе не добрая и не злая. Только новая техника более требовательна, не прощает ошибки…
Если в автомобиле по недосмотру механика испортится мотор, машина остановится, не заведется. Придется пассажирам идти пешком. Но если по любой причине остановится двигатель современного самолета, он упадет на землю и разобьется… Но ведь никто не собирается на этом основании отказываться от воздушного транспорта. Конечно, требуется повысить надежность техники и… более тщательно работать с нею, быть более внимательными. Новая техника требует и нового уровня ответственности. Если взорвется котел на ТЭС, опасность грозит лишь тем, кто работает в непосредственной близости к агрегату. При взрыве же реактора на АЭС… В принципе атомный реактор — чрезвычайно надежная система, с многократным запасом надежности. Но если начать перечислять все ошибки, все нарушения инструкции эксплуатации, которые были допущены на четвертом блоке Чернобыльской АЭС, можно лишь подивиться «живучести» техники.
Авария на АЭС — большое несчастье. Оно затрагивает, в той или иной степени, всех нас. И всем надо сделать важный вывод: сейчас нельзя подходить к новой технике со старыми представлениями о культуре труда. Техника требует от специалиста не только глубоких знаний, но и предельной сосредоточенности, тщательности в работе и абсолютной дисциплины. Другого пути нет. Как нет у нас и пути назад…
Солнце на Земле
В наши дни много пишут о получении энергии «солнечным способом». Еще в 1939 году немецкий физик X. Бете предположил, что в недрах нашего светила при температуре более 10 миллионов градусов ядра легкого водорода (протоны, из которых на 90 % состоит Солнце) должны сливаться, превращаясь в ядра гелия и выделяя при этом массу энергии. Эта гипотеза пришлась весьма по вкусу физикам-теоретикам и получила широкое развитие. Были обнаружены и другие возможные реакции в зонах, расположенных ближе к солнечному ядру, где процессы протекают при более высокой температуре. Появилась стройная теория. А потом, как и полагается в таких случаях, возникли сомнения. Обнаружилась нехватка нейтрино, которые должны были излучаться вместе с протонами. Да и сама реакция протон-протонного цикла оказалась не такой уж всеобъемлющей. Но не в том суть. Решение «солнечных вопросов» — задача астрофизики и астрофизиков. А что же могли получить от такой далекой области знания технари-энергетики?
Вспомните знаменитое уравнение Эйнштейна, связывающее массу с энергией: E = m·C2. Здесь С — скорость света. Грамм солнечного вещества, обращенный в энергию, дает ее столько же, сколько мы получаем на Земле, сжигая тысячи тонн (!) первосортного бензина. И это при нынешнем-то энергетическом кризисе и существующих ценах на нефть! Естественно, что мысль о том, «нельзя ли зажечь Солнце на Земле», просто не могла не возникнуть в головах ученых. Дело оставалось за небольшим — получить солнечное вещество и научиться превращать его в энергию.
Если открыть последний энциклопедический словарь на слове «солнце», то в нем можно прочесть: «Солнце… раскаленный плазменный шар… Химический состав, определенный из анализа солнечного спектра: водород — около 90 %, гелий — 10 %, остальные элементы — менее 0,1 % (по числу атомов)». А что такое плазма?..
Впрочем, я чувствую, что здесь возможно много, очень много вопросов. Хорошо бы их количество ограничить, ну, скажем, десятью или пятнадцатью и вопросы эти задавать сериями, штук по пять сразу. На каждый — ответ, а потом пояснения.
— Почему Солнце светит?
— Потому что оно нагрето до раскаленного состояния.
— Что подогревает Солнце?
— Гравитационное сжатие и термоядерные реакции.
— Какие реакции на Солнце главные?
— Протон-протонный и углеродноазотный циклы.
— Сколько лет светит Солнце?
— Примерно от шести до десяти миллиардов лет.
— На сколько лет еще хватит Солнца?
— Не меньше чем на четыре с половиной миллиарда лет.
Рассказывают, что как-то раз, в середине двадцатых годов, два приятеля — веселые геттингенские студенты-физики — «мотали лекцию». То ли лекция предстояла скучной и длинной, как день без завтрака, то ли просто слишком грело весеннее солнце. Так или иначе, но, разомлев от жары, парни переходили от одного тенистого дерева к другому, громко и неискренне жалея профессоров.
— Клянусь рефератом, — глубокомысленно произнес один из приятелей, — сегодняшнее солнце — отнюдь не костер из буковых поленьев в камине шефа…
Фамилия говорившего была Хоутерманс, и его совесть оказалась настолько тугоплавкой, что он помнил о реферате даже за пять минут до купания.
— Тогда бы не пекло так жарко, — резюмировал второй бездельник, Аткинсон, который только что вернулся из Кембриджа и потому считал, что последнее слово должно оставаться за ним. — Кстати, а почему оно вообще светит?..
Последний вопрос мог бы показаться риторическим, не будь наши приятели физиками. А физики могут думать о механизме явления даже под угрозой солнечного удара… Аткинсон в Кембридже был свидетелем захватывающих опытов Резерфорда по атомным превращениям. Именно потому он и воскликнул:
— Послушай, Фрицци! А может быть, это ядра атомов легких элементов сливаются в недрах Солнца, образуя более тяжелые? При этом излишки массы, превратившись в энергию, покушаются на профессорские головы и не пускают нас на лекции…
Не исключено, что в ответ раздалось бульканье, ибо пораженный догадкой приятеля Фриц Хоутерманс вполне мог на время пойти на дно. Оба были достаточно физиками, чтобы представлять величие последствий шутливого предположения.
Но они еще не знали, что только что сформулировали тему главной работы всей своей жизни.
В истории не сохранилось сведений о том, чем кончилось в этот день купание двух будущих ученых. Но в том, что с этого шутливого разговора и началась серьезная работа над проблемами внутрисолнечных процессов, сомнений почти нет.
Позже к обоим исследователям подключились другие выдающиеся физики мира. И результатами их совместной работы явилось, с одной стороны, создание бесчеловечного сверхоружия, с другой — проект мирно работающей плазмы.
Когда-то считали, что в недрах нашего светила горят запасы серы, каменного угля и прочих горючих ископаемых. Однако проверили поточнее, прикинули, оказалось, что будь Солнце даже из лучшего донецкого антрацита, его хватило бы лишь на несколько тысячелетий. Этого было явно мало. Следовало поискать другой, более долговечный источник.
И он нашелся…
Если представить себе зарождающуюся звезду как облако холодного газа, сжимающегося под действием сил притяжения, то ясно, что постепенно температура в нем станет подниматься.
Сначала недра нагреваются немного, а там, глядишь, и покраснеют, и засветятся, и засверкают. Превратится сжимающийся газовый шар в пылающую звезду…
Впрочем, не надо, как говорится, эмоций. Посчитаем, прикинем… Если бы Солнце под действием собственной силы тяжести сжималось со скоростью 30 метров в год, оно бы «просветило» лет этак миллионов тридцать. Опять мало! По новым данным науки Солнечная система существует по крайней мере четыре с половиной миллиарда лет. Миллиарда! Представляете?..
Долго, очень долго источник солнечной энергии оставался для ученых загадкой. А потом в лабораториях физиков началось его постепенное разгадывание. В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл радиоактивность. Помните, так мы называем самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов. Потом А. Эйнштейн установил зависимость массы и энергии — самое знаменитое уравнение XX века: E=m·C2! И это позволило английскому астроному и иностранному члену-корреспонденту Академии наук СССР А. Эддингтону выдвинуть идею прямого перехода массы Солнца в энергию. Правда, как это могло происходить, никто не знал.
Примерно в ту же пору неистовый и громоподобный Э. Резерфорд наблюдал первые искусственные превращения ядер. На лабораторной установке ядра атомов азота при бомбардировке их ядрами гелия иногда вдруг глотали эти «микробомбы» и превращались в ядра атомов кислорода, излучая лишний протон. Это было чудесно и совершенно непонятно.
Картина стала проясняться, когда ученик Резерфорда Дж. Чедвик открыл нейтрон, а советский и немецкий физики Д. Иваненко и В. Гейзенберг, независимо друг от друга, построили модель атомного ядра из протонов и нейтронов. Были уже описаны предположения Аткинсона, Хоутерманса и других теоретиков. Наконец, в 1939 году немецкий физик X. Бете, бежавший от фашистов сначала в Англию, а затем в США, теоретически показал, что в солнечных недрах должны существовать две основные последовательности превращения водорода в гелий. Первая и основная — слияние двух протонов и образование тяжелого изотопа водорода — дейтерия, с излучением позитрона и нейтрино. И затем переход дейтерия в гелий, с образованием новых свободных протонов. При этом количество высвобождающейся энергии оказывалось примерно в миллион раз больше, чем при химической реакции горения. Вторым типом реакции был углеродно-азотный цикл, который шел при более высоких температурах, очевидно, в самом солнечном ядре.
Прекрасно! Отныне, казалось, тайна Солнца разгадана. Ядерные реакции обеспечивали нашему светилу десять миллиардов лет жизни, что вполне устраивало физиков. Так что можно было успокоиться. Кстати, а что будет через оставшиеся пять миллиардов лет? Ядро Солнца к тому времени сожмется до такой степени, что температура и плотность в нем позволят ядрам гелия объединяться и образовывать углеродные ядра. Оболочка звезды при этом распухнет до орбиты Венеры. И Солнце превратится в красного гиганта. На Земле к этому времени станет, увы, слишком жарко для жизни. Но до этого катастрофического периода время еще есть. Что-нибудь придумается…
Не помню сейчас, чьи это слова, утверждающие, что, когда ученые слишком уж успокаиваются, природа подкрадывается к ним сзади и дает хорошенького пинка. Чтобы проверить, правильно ли мы представляем себе работу солнечной топки, американский физик Дэвис решил «уловить» солнечные нейтрино и подсчитать их. Задача почтенная, хотя и бесконечно трудная, поскольку шустрые частицы способны пролететь свинцовую стенку толщиной в триста миллионов километров, не задев и не потревожив в ней ни одного атома. Но и человек хитер! Установка, содержащая чуть не полмиллиона литров перхлорэтилена (между прочим — жидкости, применяемой для химчистки), упрятана под землю на глубину почти в километр, но… вожделенные частицы не обнаружены. То есть они были, конечно, но в количестве явно недостаточном, чтобы объяснить солнечные реакции. В чем же дело?
Пока не ясно. Может быть, ошибка в вычислениях теоретиков. А может быть, недостаточная точность эксперимента. И это не исключено. А не «заснуло» ли солнечное ядро на время, уменьшив нейтринный поток? И от такой точки зрения нельзя отказываться. Ведь были же в истории Земли периоды великих оледенений, когда по неизвестным причинам солнышко на какой-то период «зажмуривалось».
А теперь сделаем небольшое деловое отступление.
Как работает Солнце?
Во-первых, «ядерный котел» нашего светила занимает не так уж много в нем места — примерно 2 % объема в центре. Но в нем сосредоточено 50 % всей массы. Каждую секунду его топка потребляет около 5 миллионов тонн ядерного горючего, обеспечивая выход 4,5·1033 эрг энергии. Много это или мало? Судите сами: Земля получает из этого потока едва ли стомиллионную долю. И этого оказывается достаточно, чтобы обеспечить нашу жизнь!
Я не стану в деталях расписывать реакции внутри Солнца. Заинтересовавшийся сам их легко отыщет в учебнике (например, Д. Я. Мартынов. Курс общей астрофизики. М., 1971. с. 221–222). Скажу только, что ядра гелия чуть-чуть легче, чем сумма слившихся в них протонов. Этот-то крошечный избыток массы и превращается в энергию. Сначала в виде жестких гамма-квантов и нейтрино. Нейтрино тут же удирают из Солнца, а гамма-кванты, сильно взаимодействуя с веществом, пробираются к поверхности и в конце концов превращаются в кванты оптического излучения. Они-то и греют, они-то и светят нам с вами.
Происходит все это в полном соответствии со знакомым нам уравнением Эйнштейна. И если вы не поленитесь и все-таки подставите в него цифры, а потом сравните с каким-нибудь земным эталоном, то картина получится очень впечатляющая. Вспомните сравнение с сожженным бензином…
Кстати, если это сравнение вас не вдохновит — дело безнадежно. Есть среди нас люди, принципиально шарахающиеся от цифр, формул, графиков, от всех современных способов экономной передачи информации. Я, конечно, не могу настаивать на абсолютной правоте суждения, но лично мне они кажутся фигурами несовременными. Отстав в своем развитии от требований времени и не будучи в состоянии его догнать, они превращают свою неспособность в «принципиальность». Об этой «принципиальной» позиции они громко вещают направо и налево, забывая, что этот трюк — «с бородой»…
А теперь — внимание! Идет вторая серия вопросов:
— Сколько состояний вещества мы знаем?
— Три обычных: твердое, жидкое, газообразное; и четвертое — плазма.
— Что такое плазма?
— Ионизованный газ, состоящий из «ободранных» атомных ядер и электронов.
— Какую плазму мы знаем?
— Низкотемпературную (Т=105 К)7 используемую в ионных приборах, газовых лазерах, плазмотронах, МГД-генераторах, плазменных двигателях, а также в плазменной металлургии, обработке и в бурении. Высокотемпературную (Т=106-108 К) из смеси дейтерия и трития, которая предполагается быть использованной для управляемого термоядерного синтеза — термояда.
— Чем отличается плазма от обычного газа?
— Частицы плазмы не самостоятельны, а представляют собой единый коллектив, систему. Разреженная лабораторная плазма всегда является системой неравновесной и стремится к саморазрушению.
— Почему устойчивы звезды, состоящие из плазмы?
— Потому что звездные условия не чета лабораторным. На Земле их так просто не достигнуть.
Если, услышав слово «плазма», вы подумаете, будто это нечто исключительное, то непременно ошибетесь. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной. Тут и звезды, и галактические туманности, межзвездная среда и даже внешняя оболочка нашей собственной земной атмосферы. Не говоря уж о том, что Земля просто купается в плазме в виде солнечного ветра. Правда, искать природную плазму на поверхности нашей планеты — занятие безнадежное. Ее не существует. Исследователи довольно давно научились ее получать искусственно в лабораториях, но вот свое название она получила совсем недавно.
Все в тех же 20-х годах нашего века два американских физика, Ленгмюр и Тонкс, изучая газовый разряд, назвали греческим словом «plasma», что означало в переводе — «вылепленное», «оформленное», ионизованный электрический нейтральный газ, содержащий равное количество положительных и отрицательных зарядов. Этот газ-плазма оказался настолько отличающимся от всех известных физикам состояний вещества, что был выделен и стал самостоятельным объектом исследования.
Вещество в мире высоких температур
Давайте попробуем каким-нибудь способом постепенно разогревать кусок обычного, вполне земного вещества, хоть железяку. Сначала она раскалится, засветится. Затем связи в ней ослабнут, и она расплавится. Потом жидкость испарится и перейдет в газ. При дальнейшем нагреве молекулы газа не выдержат и разорвутся на атомы. Еще дальше — газ станет атомарным. А там начнут Сдаваться и атомы. Электроны будут отрываться от ядер, и газ начнет переходить в плазму.
Примерно к десяти миллионам градусов плазма окажется полностью ионизованной. То есть вещество будет состоять из «голых», ободранных ядер и свободных электронов, которые мечутся в разные стороны, стремясь во что бы то ни стало сбросить возбуждение, отдать сообщенную энергию и обрести, образно говоря, покой.
При ста миллионах градусов частицы плазмы обретают такую скорость, что при встречах ядра могут начать разрушаться. Здесь мы подошли к границе ядерных превращений.
При миллиарде градусов вещество будет состоять уже только из протонов и электронов. Ядра распадутся. А при температурах более десяти триллионов (1013) градусов элементарные частицы получат возможность превращаться одна в другую. Правда, представить себе все эти градусы нормальному человеку довольно трудно. Нужно быть физиком-теоретиком…
…Надо сразу сказать, что чем ближе знакомились физики с плазмой, тем больше убеждались в ее вздорном характере. Посудите сами: мы говорим, что плазма нейтральна. Но шустрые электроны куда более подвижны, чем массивные ионы, и потому они первыми норовят удрать из дружного коллектива. Образуются нестабильные электрические поля. Под их влиянием частицы меняют свои направления, путают расчеты, делают поведение сгустка плазмы труднопредсказуемым. Плазма изо всех сил стремится расшириться, коснуться стенок камеры, отдать энергию и… погибнуть. Просто какая-то страсть к самоубийству. И чем выше температура плазмы, тем она норовистее. А при миллионах градусов, необходимых термоядерщикам, она становится просто бешеной.
Сейчас даже трудно утверждать, взялись бы физики в конце 1950 года с таким энтузиазмом за эту проблему, будь они хоть чуть-чуть более осведомлены о ее характере. Слава богу, они ничего о нем не знали. А когда познакомились, отступать было поздно.
В то время советские физики-теоретики высказали идею, согласно которой горячую плазму можно было попробовать изолировать от стенок камеры, сжав собственным магнитным полем. Мысль была настолько простой и очевидной и решение казалось таким красивым, что сомнениям просто не оказывалось места.
Как загнать джинна в бутылку
Предположим, что нам удалось в разреженном газе создать мощный электрический разряд. Естественно, что на всем его пути молекулы и атомы ионизуются и газ превратится в плазму. Но плазма — сама великолепный проводник для электричества, и потому ток в ней будет нарастать. А вместе с током станет расти и его магнитное поле, охватывающее плазму, как обручами, и сдавливающее, сжимающее ее в тонкий шнур, отрывая от стенок камеры.
Кажется, проще простого — частицы оторваны от стенок, ток нагревает плазму до звездных температур, ядра начинают сливаться, выделяя огромное количество тепла. Реакция становится самоподдерживающейся. Термоядерный «самовар» закипает…
В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова был создан новый отдел плазменных исследований, во главе которого стал удивительный человек и один из бесспорных лидеров советской науки Лев Андреевич Арцимович.
Еще не прогремело эхо первого взрыва водородной бомбы, значит, еще не было и бесспорного доказательства осуществимости даже неуправляемого термоядерного синтеза, а в лаборатории Арцимовича молодые энтузиасты готовились к синтезу управляемому.
Ах, как они тогда работали! Все, от руководителя до лаборанта, были первыми в мировой науке. Они знали то, что хотели знать все, но не знал никто. И это знание было самым большим богатством — дороже золотых слитков и самородков, дороже самых больших и чистых алмазов из голубых кимберлитовых трубок. Вот что такое наука. Вот чем она всегда привлекала и будет привлекать к себе людей. Лев Андреевич был необыкновенно обаятельной личностью. Острый ум, широчайшая эрудиция и необыкновенно развитое чувство юмора.
— Что такое наука? — спросили его как-то.
— Наилучший способ удовлетворить собственную любознательность за счет государства, — не моргнув глазом, ответил он.
Третья серия вопросов — последняя и едва ли не главная.
— Что такое термояд?
— Управляемый термоядерный синтез, основанный на реакциях перестройки атомных ядер с большим энергетическим выходом.
— Что нужно сделать, чтобы зажечь в плазме огонь термояда?
— Нагреть до звездных температур, сжать до необходимой плотности, обеспечив критерий Лоусона.
— Что такое критерий Лоусона?
— Произведение времени удержания высокотемпературной плазмы на плотность ее частиц. Если это произведение превышает 1014 с/см3, то выделяющаяся управляемым термоядерным синтезом энергия больше подводимой к системе.
— Что такое токамак?
— Тороидальная камера с магнитным полем — семейство советских тороидальных магнитных ловушек для получения контролируемой термоядерной реакции в высокотемпературной плазме. Слово «токамак», как и слово «спутник», принято во всех языках мира.
— Когда физики получат термоядерную энергию?
В 1956 году советская правительственная делегация, имея в своем составе ведущих ученых, выехала в Англию. Мир находился в тисках «холодной войны». Люди разучились доверять ДРУГ другу. И вот лондонцы с нескрываемым интересом разглядывали на улицах столицы высокого человека с длинной бородой, прятавшего в ней усмешку тонких губ. «Главный атомщик русских!» — летел вслед ему шепоток. Курчатов был фигурой легендарной, весьма таинственной и очень импозантной. «А уж засекречен-то, засекречен! Десять агентов КГБ, не смыкая глаз, сторожат его и днем и ночью…» И вдруг этот человек — олицетворение государственной тайны Советского Союза — спокойно согласился прочесть в английском атомном центре, Харуэлле, лекцию «О развитии атомной энергии в России». Именно так было написано в пригласительных билетах.
Со смешанным чувством собирались приглашенные. С одной стороны, ученым было, конечно, любопытно узнать, что делается «за железным занавесом». Ведь к этому времени ТАСС уже сообщило об успешных испытаниях термоядерного оружия на советском полигоне и прошло два года с тех пор, как в Обнинске, под Москвой, заработала первая в мире атомная электростанция. Но с другой стороны, английские физики понимали, что в существующих условиях ждать откровенного и интересного разговора смешно.
Курчатов спокойно поднялся на трибуну. Он широко и свободно нарисовал перед слушателями грандиозную картину энергетического строительства в СССР и… перешел к рассказу об исследованиях в области управляемого термоядерного синтеза. Это была сенсация! Английские физики, английские политики, английские и совсем не английские представители других служб, которых наверняка было немало в зале, ушам своим не верили. Бородатый русский академик спокойно повествовал о таких вещах, о которых на Западе даже думать рисковали лишь за закрытыми дверями секретных лабораторий. Это могло означать либо непостижимую «азиатскую хитрость», либо тот факт, что русские настолько далеко ушли вперед, что нынешние секреты западных коллег для них — вчерашний день… Что было хуже?..
Игорь Васильевич Курчатов читал в Харуэлле доклад, подготовленный академиком Арцимовичем. И этот доклад застал англичан врасплох. Когда представители прессы попросили своих специалистов прокомментировать сказанное, те дружно потребовали несколько дней на подготовку. Нужно было не только снестись с секретной службой, но и разобраться в ворохе технических подробностей, щедро открытых перед ними гостем. «Английские ученые ожидали, что доктор Курчатов будет выкачивать из них информацию, а вместо того он сказал, что им самим следует делать» — так определило тогда агентство «Рейтер» итог этой встречи.
Результаты столь выдающегося не только научного, но и дипломатического и политического шага Советского Союза не замедлили сказаться. Одна за другой стали собираться международные конференции, на которых все более и более смело ученые обменивались своими успехами и заботами. Оказалось, что во многом теоретические работы советских и западных специалистов совпадали. Дублировались и многие из засекреченных в прошлом экспериментов. И вместе с тем с каждой стороны налицо были какие-то полезные достижения.
На конференции в Зальцбурге в 1961 году были заслушаны доклады о двух новых установках — токамаке Т-3, работающем в курчатовском институте, и стеллараторе в Принстоне. Правда, исследования на тороидальных установках, как правило, вызывали у ученых все больший пессимизм. А советский токамак своих создателей радовал. И вот, начиная с 1969 года, в лабораториях всех заинтересованных стран началось бурное строительство токамаков. Сегодня их насчитывается в мире около пятидесяти.
Токамаки шагают по свету
Наша страна предполагала в середине 80-х годов запустить «Токамак-15». В нем плазма объемом в 23 кубометра будет нагрета уже до 70–80 миллионов градусов. И главный параметр удержания этого беспокойного детища современной физики совсем немного не дотянет до критерия Лоусона.
Еще ближе к заветному критерию предполагают подойти европейские ученые на строящемся токамаке «ДЖЕТ». Здесь объем высокотемпературной дейтериевой плазмы будет около двухсот кубических метров. По своим параметрам плазма должна выйти на рубеж реакторной. Таким образом, уже в ближайшее время физики мира собираются продемонстрировать реальную осуществимость получения реакторной плазмы, а затем передать дело в руки инженеров. Потому что дальше наступит очередь реактора термоядерной электростанции.
Сегодня главное внимание физиков-термоядерщиков сосредоточено на токамаках, как на наиболее перспективных установках. Но это вовсе не значит, что для осуществления управляемого термоядерного синтеза нет других путей. Токамак — установка, в которой реакции протекают спокойно, как на Солнце. А ведь можно себе представить и использование созидающего взрыва. Взрыва, контролируемого человеком. Взрыва, надежно запряженного в работу, как это сделано, например, в двигателях внутреннего сгорания…
И вот уже ученые обсуждают идею микровзрывов — серии коротких импульсов от крохотных водородных «бомбочек», подожженных лазерным лучом. Эта идея тоже родилась в нашей стране. Ее высказали академик Н. Г. Басов — один из создателей лазера — и доктор физико-математических наук О. Н. Крохин.
Есть, между прочим, и другие идеи. Их немало. Нужно только помнить, что даже простая проверка каждой из них — большая работа коллектива, стоящая огромных затрат. Достаточно сказать, что простой старый добрый токамак при работе потребляет в импульсе столько электричества, сколько нужно целому городу.
Наверное, прочитав эту главу, читатель непременно задаст вопрос: «Так когда же? Когда будут построены первые термоядерные реакторы для электростанций, ведь с начала работы над плазмой уже сменилось целое поколение?»
Предсказания в науке — самое неблагодарное дело. Но если есть вопрос, требуется и ответ. Давайте же за ним обратимся к высказыванию главы советской школы термоядерной физики Льва Андреевича Арцимовича.
В статье «Плазма и термоядерный синтез», написанной им совместно с В. Д. Новиковым для Детской энциклопедии, он говорил: «Термоядерная энергия будет получена тогда, когда она станет необходимой человечеству».
Ну а пришла ли эта необходимость — решать нам с вами. Ведь сегодня человечество — это мы!
МГД
Есть еще несколько способов получения электроэнергии, мимо которых просто невозможно пройти. Я имею в виду методы прямого преобразования энергии. То есть такие способы, при которых из классической цепи «тепло — механическая энергия — электричество» среднее звено исключается. Сюда можно отнести не только получение электроэнергии из тепловой и из химической энергии, например в топливных элементах, но также известные нам способы получения электроэнергии из солнечного света, из электромагнитного излучения нашего светила…
Но, как и обещает заголовок раздела, прежде — магнитогидродинамический метод. Суть его такова: топливо, сгорая при достаточно высокой температуре (не меньше 2500 °C), дает газы, как мы уже знаем, в состоянии частично ионизованной плазмы. Следовательно, газ становится электропроводящим. Если же к плазме добавить еще какое-нибудь легко ионизирующееся вещество, ну хотя бы какой-нибудь из щелочных металлов (калий, натрий или цезий), то электропроводность ее еще возрастет.
Теперь представьте себе, что мы стали продувать эту плазму через мощное магнитное поле. Естественно, что в ней немедленно появится электрический ток. Если при этом к стенкам канала, по которому сквозь магнитные силовые линии мчится наша плазма, приделать электроды, замкнутые на внешнюю цепь, то по цепи пойдет ток…
В принципе работа МГД-генератора не отличается от классической схемы генератора Фарадея. Только в электромеханическом генераторе проводником служит обмотка ротора, а в МГД-генераторе — поток подогретой плазмы. Электрический ток в плазме, взаимодействуя с магнитным полем, тормозит движение плазмы. И ее кинетическая энергия превращается в тепловую.
Ну а чем же МГД-генератор лучше? Пожалуй, главное его преимущество — более высокий КПД. В зависимости от технического решения он может превышать на десять, а то и на двадцать процентов коэффициент полезного действия самых лучших и экономичных тепловых электростанций.
Кроме того, вы ведь, наверное, заметили, что в схеме МГД-генератора нет движущихся частей, на которые воздействовала бы высокая температура. Это очень важно. Ведь чем выше начальная температура рабочего тела в тепловом двигателе, в турбине, тем выше опять же КПД. Но лопатки турбин больше чем 540 °C не выдерживают. А тут — 2600 °C!
Правда, не очень пока понятно, из чего делать канал МГД-генератора. Где взять материалы, которые выдержали бы такую температуру? Ну, во-первых, кое-что в запасе у инженеров все-таки есть. А во-вторых, стенки канала можно и должно охлаждать. Ведь поливать водой неподвижную трубу — совсем не то что охлаждать таким способом бешено вращающиеся части в турбине…
Пока на пути к созданию промышленного образца МГД-генератора взяты далеко не все барьеры, обойдены не все препятствия. Тут и надежность материалов, и проблема создания на всем протяжении плазменного канала (а это метров двадцать) магнитного поля большой интенсивности — около 5–6 тесла (или 50–60 тысяч гаусс).
МГД-генератор даст нам постоянный ток. Естественно, что для широкого использования его придется превращать в переменный, что тоже не так-то просто. И все же, несмотря на трудности, в Советском Союзе, в полном соответствии со специально разработанной программой, уже начато сооружение первого в мире промышленного МГД-энергоблока электрической мощностью на 500 тысяч киловатт, который будет работать на природном газе. Одновременно ученые ведут исследование МГД-установок, способных работать на угле. И есть предположение, что в дальнейшем МГД-генерато-ры можно будет устанавливать на атомных электростанциях. Атомный реактор будет служить вместо или в качестве камеры сгорания. А рабочим телом явится какой-нибудь легко ионизирующийся газ. Может быть, это будет гелий, который станет двигаться по замкнутому контуру. Вы скажете: «Это все пока проекты… А где синица в руки?» Ну что же — вот вам тогда и синица.
Два года назад довелось мне побывать на Кольской сверхглубокой скважине, неподалеку от города Заполярный. Это была очень интересная поездка, знакомство с первопроходчиками «подземного космоса», людьми, которые первыми во всем мире заглянули на глубины в двенадцать километров. Мировая практика пока не знает таких скважин.
Не зря участники международного геологического конгресса, проходившего в Москве в 1984 году, единодушно высказали единственную просьбу — побывать на уникальном сооружении и познакомиться с чудом XX века, созданным руками советских ученых, инженеров и рабочих.
Однако, если вы посмотрите в энциклопедию, то обнаружите, что средний радиус Земли 6371,032 километра. Глубина Кольской сверхглубокой — 12 километров. Ощущаете разницу?.. Изучение глубоких недр пока доступно только лишь косвенными геофизическими методами. И надо сказать, что в арсеналах науки о Земле такие методы имеются. Одни из них — сейсмический и гравиметрический — довольно хорошо известны широкому читателю. Другие — электромагнитные — знакомы меньше. Но именно о них-то и пойдет дальше речь. Заключается электромагнитный метод исследования недр в том, что, создавая на поверхности Земли электрическое поле, геофизики индуцируют электрические токи во внутренних проводящих слоях Земли. Эти токи создают собственное поле, которое и улавливается специальными датчиками на поверхности. Понятно, что токи в недрах, а следовательно, и их поля зависят от электропроводности слоев.
И такие измерения как бы просвечивают Землю, выдавая информацию о состоянии залегающих в глубине пород.
Разработанные методы электромагнитного зондирования, к сожалению, тоже позволяли исследовать глубины Земли лишь на несколько километров. Не хватало мощности передвижных генераторов — источников электроэнергии.
Но вот Институт атомной энергии имени И. В. Курчатова разработал мощные импульсные МГД-генераторы, развивающие в импульсах мощность до 80-100 тысяч киловатт. На перешейке полуострова Рыбачий в Баренцевом море собрали установку из двух спаренных пороховых ракетных двигателей, преобразующих энергию плазмы в электрический ток. Рядом стояли батареи начального возбуждения. Они посылали ток большой силы в катушки соленоидов, расположенных сверху и снизу плазменного канала. Возникающее при этом мощное поперечное магнитное поле тормозит поток плазмы и создает электродвижущую силу. При этом с токосъемников плазменного канала ток шел по толстому алюминиевому кабелю, стекал в море и… дальше по толще морской воды огибал полуостров, чтобы поймать второй конец алюминиевого кабеля.
Так в общем виде выглядит и так в принципе работает МГД-установка «Хибины», предназначенная для электромагнитного зондирования недр. Почему выбрали опять Кольский полуостров? Это легко объяснить: здесь на поверхность выходят древнейшие образования Земли и, как нигде в другом месте, открывается возможность изучения кристаллического фундамента. Кроме того, здесь данные МГД-зондирования можно сравнить с результатами, полученными на Кольской сверхглубокой. А ведь Кольский полуостров — это не просто «каменный заповедник», но и край исключительных подземных богатств, ключ ко многим, еще, может быть, неразведанным месторождениям Севера.
И надо сказать, что оба метода во многом помогли друг другу. На скважине геологи, рассказывая о результатах, не раз многозначительно умолкали, говорили, что столкнулись в процессе бурения и отбора керна с рядом загадок… Тот же мотив звучал и в рассказах участников эксперимента «Хибины».
Но когда свели данные одного и другого исследования, то оказалось, что ряд неясных вопросов одного метода можно интерпретировать с помощью измерений, сделанных вторым…
И последний вопрос: зачем понадобился МГД-генератор? Ответ прост: очень было бы трудно создать другими средствами мобильный генератор на такую мощность в импульсе. А с помощью этой неожиданной техники удалось «просветить» Землю на огромной территории и на десятки километров вглубь. Так новая, можно сказать, новейшая техника, находящаяся еще в стадии разработки, уже дает результаты, служит науке, служит людям.