Пётр Капица – Наука и общество (страница 9)

По-видимому, под угрозой энергетического кризиса люди найдут пути преодоления этих трудностей. Например, две последние трудности можно было бы преодолеть, располагая атомные электростанции на небольших необитаемых островах в океане, далеко от густонаселенных мест. Эти станции находились бы под тщательным контролем, и в случае аварии ее последствия не представляли бы большой опасности для людей. Энергией, вырабатываемой электростанцией, можно было бы, например, разлагать воду и полученный водород в жидком виде транспортировать и использовать как топливо, которое при сгорании не загрязняет атмосферу.

Следует признать, однако, что лучшим выходом из создавшегося положения нужно считать получение энергии путем термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития. Известно, что этот процесс осуществляется в водородной бомбе, но для мирного использования он должен быть замедлен до стационарного состояния. Когда это будет сделано, то все указанные трудности, которые возникают при использовании урана, будут отсутствовать, потому что термоядерный процесс не дает в ощутимых количествах радиоактивных шлаков, не представляет большой опасности при аварии и не может быть использован для бомбы как взрывчатое вещество. И наконец, запас дейтерия в природе, в океанах, еще больше, чем запас урана.

Но трудности осуществления управляемой термоядерной реакции пока еще не преодолены. Я буду говорить о них в своем докладе, потому что, как теперь оказывается, эти трудности в основном также связаны с созданием в плазме энергетических потоков достаточной мощности. На этом я останавливаюсь несколько подробнее.

Хорошо известно, что для полезного получения термоядерной энергии ионы в плазме должны иметь очень высокую температуру – более 10⁸ К. Главная трудность нагрева ионов связана с тем, что нагрев плазмы происходит в результате воздействия на нее электрического поля, и при этом практически вся энергия воспринимается электронами, которые благодаря их малой массе при соударениях плохо передают ее ионам. С ростом температуры эта передача становится еще менее эффективной. Расчеты передачи энергии в плазме от электронов к ионам при их кулоновском взаимодействии теоретически были надежно описаны еще в 30-х годах. Л. Д. Ландау [2] дал выражение для этого взаимодействия, которое до сих пор остается справедливым.

Мощность Р_a, передаваемая электронами с температурой T_e ионам с температурой Т_i в объеме V, равна [3]

Р_a = Vnk((T_e – Т_i) / τ_eq) (5)

где k – постоянная Больцмана, n – плотность плазмы. Время релаксации τ_eq вычисляется по формуле Ландау, основанной на учете кулоновских взаимодействий. Согласно этой формуле при тех высоких ионных температурах Т_i = 10⁸ – 10⁹ К, при которых термоядерная реакция может давать полезную мощность, поток энергии, переданный от электронов к ионам, очень мал.

Изучение выражения (5) приводит нас к тому, что когда температура ионов Т_i = 0,6 T_e, передаваемая мощность имеет максимум значения. Максимальная величина мощности, переносимая от электронов к ионам дейтерия, будет равна [3]

Р_max = 1.57x10^–34V(n² / (Т_i)^1/2) Вт. (6)

В плазме при 1 атм и температуре электронов T_e = 10⁹ К в объеме кубического метра передаваемая электронами ионам мощность будет около 400 Вт. Это небольшая величина, так как нетрудно подсчитать, что для того, чтобы нагреть кубометр плазмы до 6x10⁸ К при подводе такой мощности, потребуется около 300 секунд.

Малость величины передаваемой ионам энергии в особенности проявляется при осуществлении наиболее широко разрабатываемых теперь термоядерных установок Токамак. В них ионы удерживаются в ограниченном объеме сильным магнитным полем и процесс нагрева производится электронами, которые вначале коротким импульсом тока нагреваются до очень высоких температур, потом путем кулоновских столкновений передают свою энергию ионам. В условиях, принимаемых в современных проектах Токамака, время, за которое электроны передадут свою энергию ионам, достигает 20–30 с [3]. Оказывается, за это время большая часть энергии электронов уйдет в тормозное излучение. Поэтому сейчас изыскиваются более эффективные способы подвода энергии к ионам [4]. Это может быть или высокочастотный нагрев, или инжекция быстрых нейтральных атомов дейтерия, или диссипация магнитоакустических волн [5]. Все эти методы нагрева ионов, конечно, значительно усложняют конструкцию реакторов типа Токамак.

Из выражения для Р_a видно, что эффективность энергетической передачи между электронами и ионами растет с плотностью. Поэтому предположим, что при нагреве лазерным импульсом твердого конденсированного трития или дейтерия начальная плотность будет очень велика (на несколько порядков выше, чем в Токамаке) и импульсами удается нагреть ионы в короткий промежуток времени. Но подсчеты [3] показали, что, хотя время нагрева и сокращается до 10^–8 с, все же оно недостаточно, так как за это время ничем не удерживаемый плазменный сгусток уже разлетится на значительное расстояние.

Как известно [4], теперь для лазерного «термояда» ищут методы коллективного взаимодействия электронов с ионами, например, создание ударных волн, которые адиабатическим сжатием подымут температуру ионов более быстро, чем при кулоновском взаимодействии.

Главное препятствие в данное время лежит в том, что еще недостаточно глубоко изучены физические процессы в плазме. Теория, которая здесь хорошо разработана, относится только к нетурбулентному состоянию плазмы. Наши опыты [6] над свободно парящим плазменным шнуром, полученным в высокочастотном поле, показывают, что горячая плазма, в которой электроны имеют температуру в несколько миллионов градусов, находится в магнитном поле в турбулентном состоянии. Как известно, даже в обычной гидродинамике турбулентные процессы не имеют полного количественного описания и в основном все расчеты основаны на теории подобия. В плазме, несомненно, гидродинамические процессы значительно сложнее, поэтому придется идти тем же путем.

Пока нет оснований считать, что трудности нагрева ионов в плазме не удастся преодолеть, и мне думается, что термоядерная проблема получения больших мощностей будет со временем решена[1].

Основная задача, стоящая перед физикой, – это более глубоко экспериментально изучить гидродинамику горячей плазмы, как это нужно для осуществления термоядерной реакции при высоких давлениях и в сильных магнитных полях. Это большая, трудная и интересная задача современной физики. Она тесно связана с решением энергетической проблемы, которая становится для нашей эпохи проблемой физики № 1.

1. Meadows D. H., Meadows D. L., Panders J.. Behrens W. W. III. The Limits to Growth. N.Y.: University Books, 1972. P. 70.

2. Ландау Л. Д. Кинетическое уравнение в случае кулоновского взаимодействия // ЖЭТФ. 1937. Т. 7. С. 203.

3. Капица П. Л. Полезное получение энергии от термоядерных реакторов // Письма в ЖЭТФ, 1975 Т. 22 С. 24.

4. Ribe F. L. Fusion reactor systems // Rev. Mod. Phys. 1975. Vol. 47. P. 7.

5. Капица П. Л., Питаевский Л. П. Нагрев плазмы магнитноакустическими колебаниями // ЖЭТФ. 1974. Т. 67. С. 1411.

6. Капица П. Л. Свободный плазменный шнур в высокочастотном поле при высоком давлении // ЖЭТФ. 1969. Т. 57. С. 1801.

Мои воспоминания о Резерфорде

Доклад на заседании в Лондонском Королевском обществе 17 мая 1966 г. Cм.: Proc. Roy. Soc. 1966. Vol. A 294. P. 123–137; Новый мир. 1966. № 8. С. 205–215.

Передо мной стоит очень трудная задача, хотя, казалось бы, говорить о научных достижениях такого великого ученого, как Эрнест Резерфорд, легко и просто. Ведь чем крупнее достижения ученого, тем короче и точнее можно их описать. Резерфорд создал современное учение о радиоактивности, первым поняв, что это – спонтанный распад атомов радиоактивных элементов, он первый произвел искусственный распад ядра и, наконец, первый определил планетарную структуру атомов. Каждого из этих достижений вполне достаточно, чтобы человека признать великим физиком. Теперь же эти достижения и их фундаментальное значение хорошо известны не только студенту, но и школьнику. Все мы также знаем те необычайно простые и красивые классические эксперименты, [при помощи которых] Резерфорд так убедительно делал свои открытия. Приезжать из Советского Союза, чтобы рассказывать членам Королевского общества обо всем этом, вряд ли было бы целесообразно.

Общеизвестно, что из учения о радиоактивности сейчас возникла самостоятельная наука, которая названа ядерной физикой. Эта наука сейчас непрерывно развивается, и из всех работ, печатающихся по всем областям физики, одна пятая часть относится к ядерным явлениям.

В наши дни продолжают очень быстро развиваться как ядерная энергетика, так и использование искусственной радиоактивности в науке и технике. Все эти области поглощают основную часть расходуемых на науку средств, которые, как известно, теперь достигают сумм в миллиарды фунтов стерлингов, долларов и рублей. Все это за 30 лет родилось из той скромной области физики, которую тогда называли радиоактивностью и отцом которой справедливо считают Резерфорда.

Проследить, как произошло это развитие ядерной физики из идей Резерфорда и его школы, – очень интересно и поучительно, но я уверен, что такие члены Королевского общества, как его президент профессор Блэкетт, сэр Джеймс Чадвик, сэр Джон Кокрофт, сэр Чарльз Эллис и сэр Марк Олифант, вышедшие из школы Резерфорда и сделавшие в этой области фундаментальные открытия и работы, конечно, могли бы с большим основанием, чем я, говорить об этих вопросах.