Физика невозможного
Шрифт:
Предполагается, что работа NIF начнется в 2009 г. Эта чудовищная машина представляет собой батарею из 192 лазеров, которые выдают в коротком импульсе громадную мощность 700 трлн ватт (суммарный выход примерно 70 0000 крупных атомных энергоблоков). Это новейшая лазерная система, разработанная специально для полного термоядерного сжигания насыщенных водородом шариков. (Критики указывают также на ее очевидное военное значение — ведь такая система способна имитировать процесс детонации водородной бомбы; возможно, она позволит создать ядерное оружие нового типа — бомбу, основанную исключительно на процессе синтеза, для детонации которой уже не нужен урановый или плутониевый атомный заряд.)
Но даже система NIF, предназначенная для обеспечения процесса термоядерного синтеза
Второй метод, который в принципе могли бы использовать ученые для обеспечения Звезды смерти энергией, известен как магнитное удержание — процесс, при котором горячая водородная плазма удерживается на месте при помощи магнитного поля.
Именно этот метод, вполне возможно, послужит прототипом для первых коммерческих термоядерных реакторов. В настоящее время самый продвинутый проект этого типа — Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). В 2006 г. несколько стран (в том числе Европейский союз, Соединенные Штаты, Китай, Япония, Корея, Россия и Индия) решили построить такой реактор в Кадараше на юге Франции. В нем водород должен разогреваться до 100 млн градусов по Цельсию. Не исключено, что ITER станет первым термоядерным реактором в истории, которому удастся произвести энергии больше, чем потребить. Он рассчитан на производство 500 МВт мощности в течение 500 с (текущий рекорд составляет 16 МВт мощности в течение одной секунды). Планируется, что первая плазма будет получена в ITER к 2016 г., а полностью установка вступит в строй в 2022 г. Проект стоит 12 млрд долл. и является третьим по стоимости научным проектом в истории (после Манхэттенского проекта и Международной космической станции).
С виду установка ITER похожа на большой бублик, оплетенный снаружи громадными кольцами электрической обмотки; внутри бублика циркулирует водород. Обмотку охлаждают до состояния сверхпроводимости, а затем закачивают в нее гигантское количество электроэнергии, создавая магнитное поле, которое и удерживает плазму внутри бублика. Когда же электрический ток пропускают непосредственно через бублик, газ внутри его нагревается до звездных температур.
Причина, по которой ученые так заинтересованы в проекте ITER, проста: в перспективе он обещает создание дешевых источников энергии. Топливом для термоядерных реакторов служит обычная морская вода, богатая водородом. Получается, по крайней мере на бумаге, что термоядерный синтез может обеспечить нас дешевым и неистощимым источником энергии.
Так почему же у нас до сих пор нет реакторов термоядерного синтеза? Почему уже несколько десятилетий — с того момента, как в 1950-х гг. была разработана схема процесса — мы не можем добиться реальных результатов? Проблема в том, что равномерно сжать водородное топливо невероятно трудно. В ядрах звезд гравитация заставляет водород принимать идеальную сферическую форму, в результате чего газ прогревается чисто и равномерно.
Лазерный термоядерный синтез в установке NIF требует, чтобы лучи лазеров, воспламеняющие поверхность водородного шарика, были совершенно одинаковыми, а добиться этого чрезвычайно трудно. В установках с магнитным удержанием большую роль приобретает тот факт, что магнитное поле имеет северный и южный полюса; в результате равномерно сжать газ в правильную сферу чрезвычайно трудно.
Лучшее, что мы способны создать, — это магнитное поле в форме бублика. Но процесс сжатия газа напоминает сжимание в руках воздушного шарика. Каждый раз, когда вы сжимаете шарик с одного конца, воздух выпячивает его в другом месте. Сжимать шарик одновременно и равномерно во всех направлениях — непростая задача. Горячий газ, как правило, утекает из магнитной бутылки; рано или поздно он достигает стен реактора, и процесс термоядерного синтеза прекращается. Именно поэтому так трудно сжать водород в достаточной степени и удерживать его сжатым даже в течение секунды.
В отличие от современных атомных станций, где происходит расщепление атомов, реактор термоядерного синтеза не будет давать большого количества ядерных отходов. (Каждый из традиционных атомных энергоблоков производит в год 30 т чрезвычайно опасных ядерных отходов. В противовес этому ядерные отходы термоядерного реактора по большей части будут представлять собой радиоактивную сталь, которая останется после его разборки.)
Не стоит надеяться, что в ближайшее время термоядерный синтез полностью решит энергетические проблемы Земли. Француз Пьер-Жилль де Женн, нобелевский лауреат в области физики, говорит: «Мы говорим, что положим Солнце в ящик. Красивая идея. Проблема в том, что мы не знаем, как сделать этот ящик». Но исследователи надеются, что, если все пойдет хорошо, лет через сорок ITER поможет ученым проложить путь к коммерческому производству термоядерной энергии — энергии, которая однажды может стать источником электричества для наших домов. Когда-нибудь, возможно, термоядерные реакторы позволят нам на Земле безопасно пользоваться звездной энергией и смягчат тем самым наши энергетические проблемы. Но даже термоядерные реакторы с магнитным удержанием не смогут обеспечить энергией оружие, подобное Звезде смерти. Для этого потребуются совершенно новые разработки.
Существует еще одна возможность построить лазерную пушку Звезды смерти на основании сегодняшних технологий — при помощи водородной бомбы. Батарея рентгеновских лазеров, обуздывающих и фокусирующих мощь ядерного оружия, могла бы в теории дать достаточно энергии для работы устройства, способного взорвать целую планету.
Ядерные реакции высвобождают примерно в 100 млн раз больше энергии на единицу массы, чем химические. Куска обогащенного урана размером не больше теннисного мяча хватило бы, чтобы спалить в огненном вихре целый город, несмотря на то что в энергию превращается всего 1 % массы урана. Как мы уже говорили, существует множество способов закачки энергии в рабочее тело лазера, а значит, и в лазерный луч. Самый мощный из этих способов — гораздо более мощный, чем все остальные, — заключается в использовании энергии взрыва ядерной бомбы.
Рентгеновские лазеры имеют громадное значение, как военное, так и научное. Очень маленькая длина волны рентгеновского излучения позволяет использовать такие лазеры для зондирования на атомных расстояниях и дешифровки атомной структуры сложных молекул, что чрезвычайно сложно делать обычными методами. Возможность «видеть» атомы в движении и различать их расположение внутри молекулы заставляет совершенно по-новому взглянуть на химические реакции.
Водородная бомба испускает громадное количество энергии в виде рентгеновского излучения, поэтому рентгеновские лазеры можно накачивать энергией ядерного взрыва. В науке с рентгеновскими лазерами теснее всего связан Эдвард Теллер, «отец» водородной бомбы.
Между прочим, именно Теллер в 1950-е гг. свидетельствовал перед конгрессом, что Роберту Оппенгеймеру, возглавлявшему до этого Манхэттенский проект, нельзя доверить дальнейшую работу над водородной бомбой из-за его политических взглядов. Показания Теллера привели к тому, что Оппенгеймер был опорочен и лишен допуска к секретным материалам; многие видные физики так и не смогли простить этого Теллеру.
(Мои собственные контакты с Теллером начались еще в старших классах школы. Я тогда провел серию экспериментов по природе антиматерии, выиграл главный приз на научной ярмарке в Сан-Франциско и поездку на Национальную научную ярмарку в Альбукерке, штат Нью-Мексико. Вместе с Теллером, который всегда уделял внимание талантливым молодым физикам, я принял участие в передаче местного телевидения. Позже я получил от Теллера инженерную стипендию имени Герца, которая помогла мне оплатить обучение в Гарварде. Несколько раз в год я ездил к Теллеру домой, в Беркли, и там довольно близко познакомился с его семьей.)