Особенностью современной цивилизации является употребление огромного количества энергии. Эта энергия используется в самых разнообразных формах - в форме тепла, выделяемого при сгорании - угля, природного газа или древесины, в форме механического движения , где в моторах сжигаются продукты нефти или в виде электричества, с помощью которого двигаются моторы и приводятся в действие всякого рода электронные приборы.
Но первоисточниками энергий являются или ископаемые виды энергии, или гидроэнергия быстротекущих рек, а в последнее время - ядерные источники - уран и торий, питающие атомные электростанции. Но все эти виды источников энергии имеют свои проблемы, в большинстве случаев, трудноразрешимые.
Большинство быстротекущих рек уже сковано плотинами, мировых запасов нефти и натурального газа человечеству хватит лишь на несколько десятилетий, угля хватит самое большое на два столетия. Кроме того, сжигание ископаемого топлива загрязняет окружающую среду, а выделяющийся при этом углекислый газ и окислы азота уменьшают толщину озонового слоя атмосферы и грозят резким изменением климата. 30 - 40 лет назад, вскоре после открытия ядерной реакции деления урана, у ученых возникла надежда, что энергетический голод может быть утолен за счет использования ядерной энергии путем превращения ее в энергию электрическую.
Началось лихорадочное строительство атомных электростанций. В настоящее время во многих индустриальных странах мира половина электрической энергии вырабатывается за счет энергии, выделяемой при делении ядра атома урана 235.
Но в последние годы человечество начало отдавать себе отчет в том, что базирование энергетики на энергии, выделяемой при расщеплении урана, может завести в тупик и, даже, больше того, может превратить нашу прекрасную голубую планету в настоящий радиоактивный ад, означающий гибель всей органической жизни. Особенно ясно это стало после катастрофы в Чернобыле. Ученые и инженеры, определяющие направление технического прогресса, все больше склоняются к мысли, что нужно прекратить строительство атомных электростанций и искать, что-то другое.
Помимо угрозы радиоактивного загрязнения окружающей среды в результате возможных аварий, возникает вопрос о том, что делать с отслужившими свой срок атомными электростанциями и тысячами тонн радиоактивных отходов, накопившихся в результате их работы. Этот вопрос до сих пор остается без ответа.
И только лишь в одном направлении пробивается свет надежды - это использование термоядерных реакций дейтерия - тяжелого водорода, находящегося в небольшом количестве в обыкновенной воде. В результате термоядерной реакции дейтерия и трития образуется ядро гелия и один нейтрон и выделяется около 18 миллионов электронвольт энергии. При этом не остается никаких радиоактивных отходов.
Научно-исследовательские работы в области использования энергии термоядерных реакций уже ведутся более 30 лет. Эта проблема значительно более трудная, чем использование ядерной энергии деления урана и поэтому она еще до сих пор не решена. Существует два направления научных исследований в области использования термоядерной энергии.
Одно направление - это использование магнитных камер, где термоядерные реакции дейтерия и трития происходят в высокотемпературной газовой плазме, удерживаемой от соприкосновения со стенками вакуумной камеры очень сильным магнитным полем особой конфигурации.
Второе, наиболее перспективное направление это термоядерный синтез под действием лазерного излучения. Аппараты, в которых происходит термоядерный синтез, представляют собой упрощенные прототипы будущих термоядерных реакторов. Это вакуумная камера со сложной системой зеркал и линз, фокусирующих лазерный луч на миллиметровом пластмассовом шарике, внутри которого находится жидкая смесь дейтерия и трития.
Под действием лазерного луча наружная часть пластмассовой оболочки шарика в миллиардные доли секунды испаряется и образует раскаленную газовую плазму, ионы которой со скоростью тысячи километров в секунду улетают в окружающее пространство и вследствие реактивного действия этого потока ионов внутренняя часть оболочки сжимает смесь дейтерия и трития до огромной плотности.
Вследствие этого сжатия радиус шарика уменьшается более, чем в 50 раз, что одновременно повышает температуру до предела, при котором начинается термоядерная реакция дейтерия и трития.
В центральной части шарика эта температура близка к 100 миллионам градусов Кельвина. Продукты термоядерной реакции - быстрые нейтроны и ядра атомов гелия , проходя через массу шарика, также повышают температуру его наружных слоев и он взрывается, как миниатюрная водородная бомба. Быстрые нейтроны, которые, проходя через массу шарика, теряют лишь ничтожную часть своей первоначальной энергии, проходят через стенки камеры и задерживаются в жидком литии, охлаждающем вакуумную камеру. Замедлитель нейтронов, жидкий литий, под действием бомбардировки нейтронами разогревается до высокой температуры и потом отдает свою тепловую энергию в теплообменнике - циркулирующей воде, которая, превращаясь в пар, двигает турбину.
Примерно так будут работать будущие термоядерные реакторы.
Но на пути к практическому реактору необходимо еще многое выяснить и усовершенствовать некоторые процессы, которые имеют большое влияние на коэффициент полезного действия будущего термоядерного реактора.
Энергетический выход термоядерной реакции дейтерий-тритий примерно в 100 раз превышает энергию лазерного луча, но множество всякого рода побочных эффектов могут свести этот баланс к нулю.
Самые мощные лазеры существуют лишь в инфракрасной области спектра. Чаще всего для термоядерных исследований употребляется лазерный луч, создаваемый стеклянным стержнем, допированным неодимием.
Длина волны в этом лазерном луче около одного микрона и, следовательно, луч находится в инфракрасной части спектра . Как выяснилось в результате изучения процессов, вызываемых инфракрасным лазерным лучом, этот луч не может вызвать термоядерных реакций, т. к. он не проникает вглубь дейтериево-тритиевого шарика, а расходует свою энеогию, главным образом, в плазменной атмосфере, создавая волны или плазмоны. Плазмоны, в свою очередь, являются источником сверхбыстрых электронов, которые, пронизывая шарик с дейтерием и тритием, подогревают его и, таким образом, уменьшают сжатие, вызываемое реактивным действием уносящихся с большой скоростью ионов пластмассовой оболочки. Все это ведет к рассеиванию энергии.
Было установлено, что лазерный луч в близкой ультрафиолетовой области спектра проникает гораздо глубже внутрь шарика и вызывает значительно большее сжатие и, вследствие этого, более сильное нагревание.
Но мощных источников лузерного луча в ультрафиолетовой области спектра не существует.
В начале 80-х годов решение было найдено. Инфракрасный луч от неодимиевого лазера пропускался через специально отшлифованные кристаллы дигидрофосфата калия, которые генерировали высшие гармоники лазерного луча, удваивая его частоту. Таким образом, применяя несколько таких кристаллов, один после другого, можно получить ультрафиолетовый лазерный луч довольно большой мощности. Если в инфракрасном луче лишь около половины его энергии использовалось для сжатия и нагревания дейтериево-тритиевого шарика, а остальная энергия уносилась возникающими сверхбыстрыми электронами, то в ультрафиолетовом лазерном луче большая часть энергии использовалась для осуществления термоядерной реакции.
Другим важным фактором было равномерное облучение дейтериево-тритиевого шарика. Для этого, основной лазерный луч разбивался на 24 части и с помощью специальной оптики эти расщепленные лучи облучали шарик равномерно со всех сторон.
Кроме того, было найдено, что технология производства шариков и соотношение его отдельных частей, тоже играют большую роль.
Например, толщина пластмассовой оболочки шарика должна составлять лишь несколько процентов его общего радиуса. Так же большую роль играет высокая степень шлифовки поверхности шарика.
Из всего вышесказанного видно, что ученые, работающие в научно-исследовательских лабораториях, занимаются не только изучением закономерностей термоядерных реакций, но и разработкой практических деталей будущего реактора.