Газоразрядная трубка с дейтерием в экспериментальной установке получала электрическое питание от мощной батареи высоковольтных конденсаторов при напряжении 50 тысяч вольт.
Много нового и чрезвычайно интересного открыли советские физики при исследовании сверхмощных импульсных разрядов. Применяя специальные и очень остроумные измерительные приборы, они обнаружили, что газ в трубке стягивается в узкий плазменный шнур, оторванный от стенок сосуда. Плазма испытывает резкие колебания, связанные с последовательным сжатием и разряжением. В сосуде возникают ударные волны с невиданной скоростью распространения — несколько сот километров в секунду. Температура плазменного шнура в момент наибольшего сжатия достигала миллиона градусов.
Интересно отметить, что в ряде исследований применялась сверхскоростная киносъемка. Киноаппарат фотографировал около двух миллионов кадров в секунду. После проявления кинопленки перед глазами физиков раскрывались все особенности процессов, длившихся миллионные доли секунды. Группа физиков и теоретиков обработала экспериментальный результат. Многие до сих пор неизвестные явления получили объяснения.
Термоядерная реакция в дейтерии всегда сопровождается излучением нейтронов. С большим удовлетворением в 1952 году физики уже в первых опытах обнаружили нейтронное излучение. Но, увы, радость была преждевременна. Дальнейшие исследования и расчеты показали, что нейтроны появляются уже при таких малых разрядных токах и температурах плазмы, когда термоядерной реакции практически еще не может быть. Было также обнаружено, что одновременно с нейтронами появляются и гамма-лучи. По своим свойствам они соответствовали рентгеновским лучам, испускаемым рентгеновской трубкой с напряжением 300–400 киловольт.
Хотя нейтроны и гамма-лучи не могли быть следствием возникающих термоядерных реакций, но это явление само по себе представляет огромный интерес.
Для их объяснения необходимо допустить, что в плазме имеются весьма быстрые заряженные частицы, которые могут быть получены при разности потенциала на электродах разрядной трубки в несколько сот киловольт. Но все приборы убедительно показывали, что в момент излучения нейтронов и гамма-лучей напряжение на трубке всего 10 киловольт.
Это явление пока не получило удовлетворительного объяснения. Вполне вероятно, что в плазме происходят такие процессы, при которых часть медленных заряженных частиц ускоряется и получает очень большую энергию, достаточную для получения нейтронного и гамма-излучений.
Исследования ближайшего времени позволят создать стройную теорию этих процессов. Впереди еще много трудностей. Если мы хотим получить термоядерную реакцию в каком-либо кратковременном процессе, то прежде всего необходимо, чтобы за время этого процесса выделялась значительно бóльшая энергия, нежели затрачиваемая в начале процесса. Этого пока еще нет.
Еще более трудной задачей является получение длительной и медленно протекающей термоядерной реакции.
Советские физики близко подошли к решению великой проблемы — получению искусственной и управляемой термоядерной реакции. Как знать, может быть, через несколько месяцев или лет советские читатели узнают о новой огромной победе ученых.
Еще немного фантазии. Даже если нам удастся осуществить сверхвысокие температуры, проблема получения энергии термоядерных реакций еще не будет решена. Мы сможем зажечь термоядерную реакцию, но надо научиться управлять ею. Нам не удастся использовать энергию, если после того, как мы «подожжем» нашу ядерную смесь, произойдет атомный взрыв.
Намечаются два пути исследования энергии термоядерных реакций. Первый путь заключается в осуществлении медленного горения ядерной смеси. Так происходит на Солнце и звездах, но мы хотим построить свое маленькое Солнце на земле. Тогда перед учеными встанет еще одна довольно трудная задача: надо будет научиться использовать энергию, получаемую при температуре в миллион градусов.
Пути к этому тоже есть. Умеем же мы использовать энергию нашего большого Солнца, которая получается при 13 миллионах градусов. Сейчас мы еще далеки от каких-нибудь конструктивных решений, но все же можно представить себе, из каких примерно элементов будет состоять термоядерный реактор — искусственное Солнце (рис. 93). По-видимому, в его центре будет находиться нагретая до миллионов градусов плазма, удерживаемая в малом объеме мощными электромагнитными полями. Ионы легких элементов, сталкиваясь друг с другом, вступают в ядерные реакции, в результате которых выделяется огромная энергия. Возможно, что удастся получить с одного кубического сантиметра центрального объема мощность 1 киловатт или с одного кубического метра — миллион киловатт.
Носителем энергии в ядерных реакциях являются заряженные частицы, нейтроны и электромагнитное излучение. Быстрые заряженные частицы отдадут часть своей энергии в центральном объеме, тем самым поддерживая там необходимую для осуществления термоядерной реакции температуру. Основную энергию заряженные частицы потеряют во внешнем объеме вне электромагнитного поля. Эту энергию можно получить в виде тепла, выделенного какой-нибудь поглощающей стеной, окружающей центральный объем. Но можно поступить иначе, превращая энергию заряженных частиц непосредственно в электрическую, минуя тепловой цикл (паровой котел и турбину). Заряженные частицы, поглощаясь каким-либо металлом, выбивают с поверхности металла большое количество электронов. Таким образом, металлическая стенка получит положительный заряд, который обусловливает возникновение электрического тока. Существуют и другие возможности превращения энергии термоядерных реакций в электрическую.
Энергия нейтронов, поглощаемых внешней стеной, превращается в тепло. По-видимому, при высоких температурах, получающихся в термоядерных реакциях, наибольшая часть энергии будет выделяться в виде электромагнитного излучения. Эту энергию также можно превращать в тепловую и электрическую. Исследования показали, что очень чистые кристаллы кремния превращают в электрическую энергию- около семи процентов падающей на них световой энергии. Весьма вероятно, что найдутся химические соединения, которые еще эффективнее будут преобразовывать свет в электричество. Такие вещества в скором времени можно будет применять для использования солнечной энергии в промышленных целях, а в будущем можно будет использовать также энергии излучения искусственных солнц.
Наконец, энергию искусственного термоядерного солнца можно использовать в фотосинтезе. Как известно, зеленые листья растений поглощают значительную долю падающей на них солнечной световой энергии. Благодаря фотосинтезу они создают запасы энергии в органических веществах. Эту энергию мы используем при горении химического топлива. Весьма вероятно, что в будущем будет выгодно с помощью термоядерных реакций и ускоренного фотосинтеза создать искусственное химическое топливо, используя его затем как горючее на транспорте и электростанциях.
Создание на основе термоядерных реакций искусственных маленьких солнц может произвести очень эффективное изменение местного климата. Это могут
быть как неподвижные солнца, так и солнца, расположенные на искусственных спутниках земли.
Конечно, это еще пока почти фантазия, но она имеет под собой довольно прочную основу, и надо будет еще много потрудиться, чтобы превратить ее в действительность.
Среди ученых есть некоторые опасения, что в разумных и достижимых на земле объемах не удастся осуществить медленную термоядерную реакцию. Но даже если эти пессимистические высказывания оправдаются, то есть и второй путь. Он заключается в использовании малых взрывов смеси легких элементов. Для этого надо будет зажигать смесь маленькими порциями. После того как выгорит первая порция, в аппарат впускается следующая и поджигается. Это напоминает работу двигателя внутреннего сгорания, например дизеля. Здесь также порциями впрыскивается горючее, которое мгновенно воспламеняется и обеспечивает рабочий ход двигателя.
Успешное решение этой задачи позволит создать реактивные двигатели, использующие термоядерные реакции.
Конечно, такой путь использования термоядерных реакций является менее выгодным, чем медленное горение: каждый раз для осуществления мелкого взрыва необходимо затратить часть энергии на получение сверхвысокой температуры смеси. Однако атомная энергия, получающаяся при каждом взрыве, может быть во много раз больше затраченной. Не следует забывать об огромной концентрации энергии в термоядерном горючем. Содержимое обычного баллона со сжатой смесью легких газов будет заключать в себе запас энергии, равноценный теплу, выделяющемуся при сгорании примерно двух тысяч тонн бензина. Реактивный самолет или снаряд, снабженный таким горючим, сможет совершать полеты огромной дальности.
Сейчас ведутся работы в различных направлениях, и еще неясно, каким путем удастся получить управляемую термоядерную реакцию. Не подлежит, однако, никакому сомнению, что цели ученых увенчаются успехом. В ближайшие десятилетия, а может быть и годы, человечество овладеет энергией термоядерных реакций для промышленных целей и получит новые неисчерпаемые источники энергии, значительно превосходящие запасы атомной энергии в уране и тории.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы прошли с вами путь, во время которого перед нами раскрывалась одна из сторон бесконечного многообразия природы. Огромные достижения современной атомной и ядерной физики привели к величайшему в истории человечества открытию — овладению атомной энергией.
Это открытие было подготовлено трудами крупнейших ученых мира. Но овладение атомной энергией явилось результатом кропотливых исследований десятков тысяч физиков и инженеров всех стран. Сделаны только первые шаги в направлении использования этой энергии, и впереди еще очень много работы.
Внимательный читатель заметил, что о многом в этой небольшой книге еще не рассказано. Значительное число опытных фактов не нашло себе объяснения в изложении, а некоторые возможные схемы использования атомной энергии изложены настолько упрощенно, что могут вызвать недоумение: почему они до сих пор не осуществлены.