Вернемся в нашем повествовании на шаг назад. Мы еще почти ничего не говорили о том, как выглядит самое термоядерное топливо: шарик-мишень. Если бы удалось осуществить режим сверхсжатия вещества согласно предложению американских физиков, то для шарика годилась бы однородная смесь дейтерия и трития.
Но предложенный режим требует очень резкого изменения во времени мощности лазерного импульса, Примерно за 10^-8 секунды она должна возрасти в миллион раз. При этом половина всей энергии импульса должна выделиться всего за 10^-11 секунды. Задача эта чрезвычайно трудная.
Так как же работает лазерный реактор?
Проследим за протекающими в нем потоками энергии. Для этого введем в лазерную систему 1 киловаттчас электроэнергии, девять десятых которой потеряется при накачке лазера и в процессе его вспышки. В импульсе полетит сгусток энергии всего в 0,1 киловатт-часа. На этом потери не кончаются. Около 90 процентов от 0,1 киловатт-часа рассеется на шарике-мишени и потеряется по пути к нему. Значит, на разогрев и сжатие шарика пойдет только 0,01 киловатт-часа.
Но дальше нас ожидает награда за ранее понесенные потери. За счет термоядерного синтеза выделятся 10 киловатт-часов. Преобразуя эту тепловую энергию в электрическую, мы получим 4 киловатт-часа. Отдав из них 1 киловатт-час на новую вспышку лазера, мы получим 3 киловатт-часа полезной электроэнергии.
Если ежесекундно проводить около ста таких вспышек, то мы получим термоядерную электростанцию с лазерным реактором мощностью в миллион киловатт!
Нет легких побед
По сравнению с термоядерным реактором с магнитным удержанием плазмы лазерный реактор имеет ряд неоспоримых преимуществ. Послушаем, что о них говорят энтузиасты этого направления.
В отличие от "баранки" Токамака лазерный реактор имеет простую сферическую геометрию, что важно при его эксплуатации и замене оборудования.
Отказ от магнитного удержания плазмы уменьшает затраты на его изготовление и весьма упрощает конструкцию реактора.
Вакуум, необходимый для процесса, может быть вполне умеренным.
В лазерном реакторе легко контролируется средняя выходная мощность.
Различные компоненты всей установки могут быть сконструированы и испытаны независимо от самого реактора.
Это говорит о том, что лазеры и система ввода шариков могут быть разработаны отдельно, а осуществимость самой реакции проверена с помощью одиночных вспышек в реакторе малой мощности.
Лазерные термоядерные установки - многообещающий источник энергии реактивных двигателей космических кораблей.
В будущем при повышении энергии лазеров можно надеяться на осуществление реакции дейтерий - дейтерий.
Тогда отпадет необходимость в тритии.
А где-то в очень далекой перспективе мыслится и такое завлекательное топливо, как бороводород, которое при сгорании дает только три атома гелия при полном отсутствии нейтронов. Правда, переход к такому горючему станет возможным только при повышении лазерного импульса в 100 раз по сравнению с еще недостигнутой величиной, которая нужна для реакции дейтерия с тритием.
Однако пора, по-видимому, прервать перечисление достоинств лазерного термоядерного синтеза, чтобы не впасть в сверхоптимистическое состояние. Настал момент вспомнить о том, что пока еще лазерный термоядерный синтез находится в самом начале развития и проблем, которые нужно решать, не меньше, чем уже решенных.
К сожалению, сейчас нет таких лазерных установок, которые удовлетворяли бы всем необходимым условиям.
Мала энергия импульса. Используемые при экспериментах лазеры с неодимовым стеклом имеют очень низкий коэффициент полезного действия, всего около 0,3 процента, а нужно 10-15. Предельная частота импульсов таких лазеров всего один в секунду, а нужно 10, еще лучше 100.
Лучшими характеристиками будут обладать лазеры с углекислым газом.
У них более высокая эффективность работы, и они чаще могут создавать импульсы. Однако не подходят их слишком длинные волны, из-за чего возникают значительные трудности при разработке оптических элементов и фокусировке.
Как и в любом другом усилителе, на выходе лазера всегда присутствуют шумы - излучение из-за самопроизвольного высвечивания атомов. Пока нет основного импульса, это излучение в течение одной десятой или сотой доли секунды действует на шарик-мишень. Чтобы под действием этого "фона" он не испарился, не дождавшись основного импульса, нужно, чтобы величина фона была слабее импульса в сотни миллиардов раз (!).
Еще неясно, каким путем достичь такой контрастности фона и основного импульса. А ведь нужно еще бороться с отраженным лучом лазера, с неоднородностью освещенности и обеспечивать синхронность импульсов всех каналов.
Обратимся теперь к камере реактора, на корпус которой при микровзрыве мишени обрушивается поток рентгеновского излучения, нейтронов и горячей плазмы.
Давление взрыва, эквивалентного энергии одного килограмма тринитротолуола, при радиусе камеры в полметра составляет около 100 атмосфер. Это, кажется, не очень страшно - ведь можно увеличить ее размер.
Но все же потоки нейтронов и рентгеновского излучения могут приводить к повреждению стенок. Только за год работы камера должна выдержать несколько миллиардов взрывов.
Обеспечить это довольно трудно. Однако можно защитить стенки жидким испаряющимся литием, который будет и поглотителем нейтронов, и поставщиком трития.
К сожалению, при этом возникает новая проблема.
Ведь в камере после каждого микровзрыва нужно очень быстро создавать вакуум. Это трудно сделать даже при сухих стенках, а если они влажные, то на откачку камеры после каждого микровзрыва потребуется около секунды. А нужно, чтобы каждую секунду происходил не один взрыв, а десять, сто! Есть из этого затруднения какой-либо выход? Пока есть не очень выгодный вариант: вспышки лазера направлять не в одну, а в десять или сто камер. В этом случае конструкция существенно усложняется, а реактор удорожается. Вопросы экономики для лазерного реактора также одно 1-3 слабых мест. Чтобы получаемая энергия была достаточно дешевой, на один импульс лазера и один шарикмишень можно истратить только несколько тысячных долей копейки. Сейчас они стоят в десятки тысяч раз дороже.
Теперь, пожалуй, пора прервать перечисление недостатков и требований, чтобы не впасть в черный пессимизм. Трудностей впереди еще много. Но давайте оглянемся, и мы увидим, сколько позади, казалось бы, таких непреодолимых трудностей! Сколько было моментов, когда казалось, что работу лучше прекратить. И все же исследование и поиск продолжались и находились нчвые, порой неожиданные решения этой труднейшей задачи.
ТОКАМАКИ ВПЕРЕДИ
Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной.
Н. Бор
После экспериментов, проведенных с импульсными разрядами, стало ясно, что получение термоядерной реакции в таких системах неперспективно. Проблему нельзя было взять прямой лобовой атакой. Мечту о быстром овладении термоядерной энергией пришлось отложить. Исследования по магнитному удержанию плазмы на многие годы перешли в русло физических исследований ее свойств в различных конфигурациях магнитного поля.
Несколько лет спустя академик Л. Арцимович так говорил об этом периоде: "И все же вряд ли могут быть какие-нибудь сомнения в том, что проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена. Неизвестно только, насколько затянется наше пребывание в "чистилище". Из него мы должны будем выйти... неся в руках спокойную, устойчивую высокотемпературную плазму, чистую как мысль физика-теоретика, когда она еще не запятнана соприкосновением с экспериментальными фактами".
Физики перешли к планомерной осаде термоядерной крепости. Как из рога изобилия посыпались различные предложения по новым методам решения проблемы, методам изучения физики плазмы. Изобилие требовало отсеять идеи малоперспективные и выбрать самые интересные.
С этой целью И.Курчатов в 1955 году собрал в Институте атомной энергии историческое для физиков-термоядерщиков совещание, на котором были оценены результаты четырехлетней работы и обсуждены перспективные направления.