Наука и жизнь, 2000 № 01 - [24]

А при энергии ионов до 10⁶ эВ. Остается задача удержания пучков с такими параметрами. Но и эта задача имеет решение. В современных ускорителях на встречных пучках время удержания измеряется часами! Можно также попытаться построить реактор, в котором столкновения пучков будут носить импульсно-периодический характер. Само столкновение пучков в этом случае будет иметь длительность порядка 10⁷—10⁸ секунды, и «удерживать» их потребуется только в течение этого времени. Столкновения могут повторяться с частотой 10⁷—10⁸ Гц, что будет означать практически непрерывное горение реакции.

Важнейшее отличие метода встречных пучков от магнитного удержания в том, что размер ускорителя не играет принципиальной роли для достижения условий синтеза. Минимальный размер экспериментальной установки будет определяться только размерами источника ионов с требуемой энергией. А они невелики: источник ионов на несколько сот килоэлектронвольт, применяемый в промышленности (например, для ионной имплантации полупроводников), занимает площадь не более 10 м² и стоит несколько тысяч долларов. В «нулевом» эксперименте по ядерному синтезу размеры коллайдера (объема, где сталкиваются пучки) могут быть очень малы. Например, при его длине 2 см и диаметре 0,4 см ожидается выделение 25 Вт тепла, то есть удельная мощность установки оказывается 10⁸ Вт/м³ (примерно как у двигателя внутреннего сгорания). Достижение таких параметров и будет означать физическое решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Получение требуемых мощностей — вопрос уже чисто технический. Рабочий объем реактора, скажем, может содержать необходимое количество коллайдеров — «термоядерных ТВЭЛов», тепловыделяющих элементов.

Подобные предложения неоднократно высказывались в научной литературе, однако до исследований, к сожалению, дело так и не дошло. Между тем они предполагают простую экспериментальную проверку, причем на небольшом и недорогом лабораторном стенде. Многие физико-технические проблемы такого эксперимента уже решены. Оценки показывают, что затраты на проведение работ будут в 10–20 тысяч раз меньше, чем на любые другие исследования в этой области. А в случае удачи открывается возможность несравненно более простого решения проблемы управляемого термоядерного синтеза, чем это обещают все те направления, которые разрабатываются в настоящее время.

Схема установки для термоядерного синтеза в коллайдере. Коллайдер представляет собой пару ускорителей, разгоняющих пучки ионов навстречу друг другу. При столкновении пучков происходит реакция с появлением новых частиц и выделением энергии.

Если в ускорителях разогнать ионы дейтерия (D) и трития (Т), то при их взаимодействии пойдет реакция синтеза с образованием а-частиц — ядер гелия-4 (⁴Не), нейтронов (п) и энергии: D + Т —> ⁴Не + n + 17,6 МэВ на один акт взаимодействия. Выделяющееся в камере коллайдера тепло можно использовать традиционным способом — для испарения рабочего тела (например, воды) с получением пара высокого давления.

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

ПОДСЧИТАЕМ ЭНЕРГИЮ

Рассмотрим условия, при которых возможно проведение энергетически выгодной реакции ядерного синтеза в системе на встречных пучках. Пусть в системе находятся пучки ионов дейтерия и трития с энергией E₁ > 10 кэВ и концентрацией n₀.

Затраты энергии на разгон пучков А = Е₁n₀. Выделяющаяся в результате синтеза энергия при многократных столкновениях пучков А = ΔnЕ₀, где Δn — убыль концентрации топлива за счет сгорания; Е₀ = 17,6 МэВ — энергия, выделяющаяся в единичном акте реакции ядерного синтеза.

Условие энергетически выгодной реакции А > GA₁, (1) где G > 1 — коэффициент усиления по энергии, показывающий, во сколько раз энергия, полученная в результате синтеза, превосходит ее затраты на инициирование реакции.

В системе на встречных пучках есть два канала потерь энергии: электромагнитное излучение, возникающее при ускоренном движении заряженных частиц, и рассеяние частиц при упругих столкновениях друг с другом и с молекулами остаточного газа. Поскольку в реакции ядерного синтеза участвуют ионы дейтерия и трития (дейтроны и тритоны), имеющие массу, в 4–5 тысяч раз превышающую массу электрона, потери на излучение в системе будут пренебрежимо малы (они составят не более 0,01 % от энергии, выделяющейся в результате синтеза). Таким образом, основной источник потерь энергии в системе на встречных пучках — рассеяние частиц. Но здесь Природа приготовила подарок, не воспользоваться которым — просто грех. Дело в том, что сечение рассеяния обратно пропорционально квадрату кинетической энергии относительного движения частиц и при энергии ионов около 200 кэВ сравнимо с сечением синтеза. Поэтому любое столкновение ионов во встречных пучках должно приводить к реакции синтеза, и потери на рассеяние будут сведены к нулю.

При отсутствии потерь на рассеяние взаимодействие ионных пучков в системе будет происходить до практически полного сгорания термоядерного топлива. Полученная в результате энергия А — Е₀n₀/2 во много раз превысит затраты энергии на инициирование реакции А₁ = E₁n