В случае более высоких температур (> 10 8 К), когда на графике зависимости сечения от энергии наблюдается насыщение, величина , рассчитанная для моноэнергетического распределения, оказывается выше, чем для максвелловского распределения с соответствующей температурой. Указанные обстоятельства следует иметь в виду, например, при оценках возможной интенсивности нейтронного испускания, обусловленного протеканием в плазме ядерных реакций синтеза. Так, если известно лишь среднее значение энергий частиц плазмы, то наблюдаемое нейтронное испускание может сильно отличаться от рассчитанного с помощью формул для числа реакций, в которые входит величина . В частности, в процессе термализации плазмы с первоначальным распределением ионов по скоростям, сильно отличающимся от максвелловского, формирование "максвелловских хвостов" может сопровождаться нарастанием нейтронного испускания, хотя средняя энергия частиц при этом остается неизменной.

Обсудим вкратце еще один вопрос, который напрашивается при рассмотрении формул (4.1) и (4.2) и рис. 4.2.

Ядерные реакции синтеза не имеют порога в точном смысле этого слова, но из-за малости сечений заметный выход реакций в плазме может быть получен либо при достаточно высоких температурах (> 10 8 К) и умеренных плотностях (10 14 -10 19 см -3 ) - термоядерный синтез, либо в случае скромных температур (например, ~ 10 5 К) при плотностях, достигающих 10 28 - 10 29 см -3 , т.е. 10 4 -10 5 г/см3 - так называемый пикноядерный синтез. Заметим, что плотность твердой равнокомпонентной дейтериево-тритиевой смеси, получаемой в гелиевом криостате при температурах 4-6 К, составляет 4,5*10 22 см -3 (0,2 г/см 3 ). Для получения указанных сверхвысоких плотностей водородная плазма должна быть подвергнута давлениям порядка 10 8 Мбар!

В природных условиях для отыскания таких чудовищных давлений надлежит обращаться к звездным объектам. Табл. 4.1 пояснит сказанное.

Таблица 4.1

И, тем не менее, благодаря успехам, достигнутым в области создания сверхмощных источников электромагнитного излучения - лазеров и генераторов сильноточных пучков заряженных частиц, проблему создания столь высоких импульсных давлений в лабораторных условиях в настоящее время уже никто не отважится назвать неразрешимой.

В принципе, существует и другая интересная возможность: вместо того, чтобы сжимать вещество, преодолевая электростатическое отталкивание ядер гигантскими давлениями, можно уменьшить размеры атомов и молекул вещества. Речь идет об использовании в оболочке атомов вместо электронов отрицательных ц-мезонов (мюонов). Радиус мезоатома дейтерия примерно в 200 раз меньше радиуса обычного атома (масса мюона в 200 раз больше массы электрона). Следовательно, когда мюон связывает два дейтона в так называемый мезодейтериевый молекулярный ион, дейтоны оказываются расположенными настолько близко друг к другу, что появляется заметная вероятность их синтеза. В самом деле, эффективная плотность в мезодейтериевой системе приблизительно на семь порядков больше, чем в обычном веществе. В рассматриваемой схеме, получившей название мюонного катализа, m -мезоны, освобождающиеся при синтезе ядер, служат катализаторами следующих реакций.

До недавнего времени подобная перспектива считалась исключенной из-за малого времени жизни m -мезона (2*10 -6 с) и большой энергии, которую необходимо затратить на производство одного мюона. Работы последних лет позволяют отказаться от столь категорического заключения. Расчеты и эксперименты показывают, что благодаря существованию слабосвязанного уровня в молекуле ( d , t , m - ) один m - -мезон может осуществить катализ примерно 100 реакций синтеза дейтерия и трития. Правда, и в этом случае полное энерговыделение (~ 2 ГэВ) оказывается несколько меньше, чем "цена" одного мезона ( ~ 5 ГэВ), но вопрос настолько интересен, что поиски возможных вариантов мюонного катализа продолжаются, хотя перспективы практического использования этого явления сомнительны.

Вернемся теперь к рассмотрению возможных путей осуществления управляемого термоядерного синтеза. В природных условиях термоядерный синтез, как уже говорилось, происходит в недрах звезд и, в частности, Солнца. Огромные массы и высокие плотности обеспечивают эффективное протекание ядерных реакций синтеза, несмотря на "скромные" температуры (не выше 2*10 7 К) и ничтожные эффективные сечения (см. выше). Космические масштабы автоматически решают проблемы удержания нагретой плазмы в зоне реакции и ее теплоизоляции. Действительно, гравитационные силы надежно удерживают плазму от разлета, а огромные расстояния, отделяющие зону протекания реакций от периферии, позволяют сохранять внутри звезды высокую температуру, достаточную для синтеза. Горячая плазма в звездных глубинах закутана в достаточно толстую шубу наружных звездных оболочек, что обеспечивает существенное снижение направленных наружу тепловых потоков.

При переходе к лабораторным условиям возникают два вопроса фундаментального характера: чем заменить гигантские силы тяготения, удерживающие плазму в звездах, и как при земных масштабах реактора снизить потоки тепла на стенки, доведя их до приемлемого уровня? Идея, определившая на долгие годы пути развития проблемы, была выдвинута около 40 лет назад практически одновременно в Советском Союзе, Соединенных Штатах и Англии. Эта идея состоит в использовании для удержания и термоизоляции плазмы магнитного поля. В Советском Союзе она была высказана И. Е. Таммом и А. Д. Сахаровым в 1950 г .

С начала 70-х годов получил развитие альтернативный подход, основанный на идее создания сверхплотной плазмы с высокой температурой, при свободном разлете которой успевает произойти достаточное количество реакций синтеза с выделением энергии, превышающей энергию, затраченную на создание плазмы с требуемыми параметрами. Процесс носит сугубо импульсный характер, причем длительность получения горячей плазмы и протекания ядерных реакций столь мала, что энергетические потери за это время оказываются допустимыми.

В реакторе такого типа в отличие от стационарного или квазистационарного реактора с удержанием и термоизоляцией плазмы магнитным полем предполагается осуществлять серию периодически повторяющихся микровзрывов, подобно тому, как это происходит в двигателе внутреннего сгорания. В качестве источников, обеспечивающих энерговклад в плазму на требуемом уровне мощности, выступают лазеры и генераторы сильноточных пучков заряженных частиц. Поскольку функции удержания плазмы возлагаются только на силы инерции, такой подход получил название "инерционный термоядерный синтез". В дальнейшем мы еще к нему вернемся, а пока остановимся более подробно на идее термоядерного синтеза с магнитным удержанием и термоизоляцией плазмы.

Сущность идеи исключительно проста и может быть сформулирована в немногих словах. Предположим, что плазма помещена в сильное магнитное поле. Тогда заряженные частицы будут описывать винтовые траектории около силовых линий поля, и, если силовые линии ориентированы параллельно стенкам реактора, уход частиц из зоны реакции окажется сильно затрудненным, а поток тепла резко уменьшенным. В этих условиях перемещение частиц поперек магнитного поля происходит только за счет столкновений между ними. Иными словами, перемещение частиц плазмы поперек поля происходит только за счет диффузии, причем смещение частицы в поперечном полю направлении в результате одного соударения не превышает диаметра ларморовской окружности. Выполним некоторые численные оценки, позволяющие определить параметры плазмы и величины магнитных полей, с которыми предстоит иметь дело.

Удельная мощность термоядерного реактора может быть получена путем умножения числа реакций, происходящих ежесекундно в единице объема, на энергию е , выделяющуюся при каждом акте реакции. Таким образом,

(4.4)

где в качестве коэффициента А следует подставить 1/2 для системы, работающей на дейтерии, и - 1/4 для равнокомпонентной смеси дейтерия и трития. Если величину удельной мощности Р 0 положить равной 100 Вт/см 3 (такова удельная мощность реакторов, основанных на делении тяжелых ядер, у современных атомных электростанций), а температуру плазмы выбрать равной 10 8 К, то для реакции ( d , t ) в соответствии с формулой (4.4) плотность плазмы оказывается равной ~ 10 15 част./см 3 . Нетрудно убедиться, что при разумных значениях удельной мощности в диапазоне температур, для которых сечения реакций ( d , d ) и ( d , t ) не безнадежно малы, плотности плазмы лежат в .интервале 10 13 – 10 17 см -3 , что наглядно демонстрируют приведенные на рис. 4.3 графики: 1) ( d , t ), 50+100 кэВ; 2) ( d , t ), 10 кэВ; 3) ( d , d ), 60 кэВ.

Рис. 4.3