Заглянем в будущее

С этой оптимистической точки зрения осуществление и техническое оформление котлов электростанций на реакции T + D представляются крайне важными для будущего осуществления реакции D + D.

Мне хотелось бы сказать еще несколько слов о перспективах получения термоядерной реакции D + D. За последние 20 лет все усилия были направлены по одному руслу. Не было принципиально новых идей. А между тем они, несомненно, должны появиться. С этой точки зрения следует обратить внимание на новую оригинальную идею, высказанную и проиллюстрированную академиком Басовым и некоторыми французскими учеными. Эта идея заключается в импульсном нагреве твердых соединений дейтерия или непосредственно замороженного дейтерия с помощью лазеров.

Басов направил узкий лазерный пучок на дейтерид лития. Лучшие результаты получались при очень коротких импульсах, когда образующаяся в результате нагрева лазерным пучком плазма не успевает еще расшириться. При этом был зарегистрирован небольшой выход нейтронов, что свидетельствовало о протекании, пусть еще очень слабой, термоядерной реакции. По новой идее плазма не требует никакой магнитной изоляции. Хотя в этих опытах очень мало, но зато концентрация ядер достаточно велика, поскольку плазма возникает в твердом теле.

Под пучок будет подводиться лишь очень малое количество вещества. Затем импульс лазера прерывается на короткое время, подводится новая малая порция вещества и т. д. Таким образом, установка будет работать подобно автомобильному двигателю, где топливо подается в цилиндры порциями.

Недавно группа американских физиков предложила другой, очень остроумный путь получения термоядерной энергии за счет энергии лазерных пучков. Пока опубликованы лишь расчеты, что же касается экспериментов, то неизвестно, проводились ли они. Идея заключается в следующем. На сферическую частицу из твердого дейтерия или дейтерия с тритием направляется сферически сходящийся световой поток. Он ионизирует поверхностный слой частиц и поглощается в нем. В результате этот поверхностный слой разлетается во все стороны и сообщает импульс отдачи оставшейся части частиц, сжимая их. Расчеты показывают, что при этом частица сжимается. Задавая определенным образом зависимость импульсной отдачи от времени (что достигается соответствующим программированием формы лазерного импульса), можно получить режим почти адиабатического сжатия частицы до плотности в 10⁴ раз больше первоначальной и достичь плотности атомов дейтерия до 10²⁷ атом/см³. Возникающая при этом высокая температура обеспечивает очень быстро протекающую термоядерную реакцию. По расчетам, 60 джоулей лазерной энергии могут привести к получению 2 мегаджоулей термоядерной энергии. Конечно, здесь, как и в случае, предложенном Басовым и французскими учеными, термоядерное горение будет происходить как последовательность быстро следующих друг за другом малых термоядерных взрывов, соответствующих превращению нескольких десятых микромолей дейтерия при нормальном давлении в гелий.

Если удастся решить проблему осуществления термоядерной реакции на одном дейтерии, то именно ее следует положить в основу мировой энергетики. Она имеет ряд бесспорных достоинств перед всеми другими путями энергетического обеспечения будущего человечества. Во-первых, ее сырьевые ресурсы безграничны и вместе с тем не требуют никаких горнорудных трудоемких работ. Этим сырьем является вода, в неограниченных количествах имеющаяся в океанах, которая содержит дейтерий в количестве ¹/₃₅₀ от веса водорода или ¹/₆₃₀₀ от веса воды. Учитывая, что один грамм дейтерия при термоядерной реакции выделяет тепло, эквивалентное сжиганию 10 тонн угля, запасы его в воде можно считать практически бесконечными. Дейтерий может быть извлечен из обычной воды уже разработанными методами. Для обеспечения энергии, равной теплоте сгорания всех ежегодно добываемых сейчас горючих ископаемых, потребуется извлечь дейтерий из воды, содержащейся в кубе со стороной 160 метров.

Вторым достоинством этой реакции является практическое отсутствие радиоактивных загрязнений. Образующиеся конечные продукты Не³ и Не⁴ безвредны.

Есть ли предел использования термоядерной энергии? Как это ни странно, такой предел существует, и он связан с перегревом поверхности Земли и атмосферы в результате выделения тепла в термоядерных реакторах. Можно подсчитать, что средняя температура земной суши и океана повысится на 7 градусов, когда тепло термоядерных реакторов составит 10 процентов от солнечной энергии, поглощаемой поверхностью Земли и океанов, а также нижними слоями атмосферы. Такое повышение средней температуры поверхности земного шара и океанов вызовет резкое изменение климата, а может быть, и создание условий для всемирного потопа за счет таяния льдов Антарктики и Гренландии. Поэтому вряд ли можно увеличивать добычу термоядерной энергии более чем до 5 процентов от солнечной энергии, что соответствует разогреву земной поверхности на 3,5 градуса. Однако представляет интерес получить более точные расчеты об опасности перегрева Земли.

Институт океанологии Академии наук СССР согласился провести очень трудный, нигде не проводившийся расчет: что будет с плавающими льдами и со льдами Антарктики и Гренландии при повышении средней температуры поверхности земного шара на несколько градусов? Приведет ли такое повышение лишь к определенному стационарному изменению климата и уменьшению плавающих льдов в прибрежных районах Антарктики и Гренландии или при некотором критическом нагреве вызовет прогрессивное таяние их ледников?

Решение этой задачи интересно не только для ответа на наш вопрос, но и для подхода к разработке теории ледниковых периодов и процессов потепления климата Земли. Есть много и других, более частных вопросов, как, например, строгое теоретическое обоснование появления сравнительно теплых оазисов, открытых недавно в Антарктиде.

Сейчас трудно сказать, какой именно нагрев Земли приведет к необратимому изменению ледового покрова и климата. Но думаю, что выбранная нами величина 3,5 градуса при выделении энергии всеми термоядерными и атомными станциями скорее завышена.

Сосчитаем теперь, каких же предельных значений может достичь использование ядерной энергии. Как уже говорилось, увеличение средней температуры на 3,5 градуса соответствует тому, что тепло, выделяющееся от всех ядерных установок, не должно превышать 5 процентов от общей солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли и прилегающими к ней нижними слоями атмосферы.

Солнечная энергия, падающая на земной шар, составляет 4 · 10¹³ ккал/сек. 30 процентов солнечной радиации отражается от земного шара и уходит в мировое пространство, значительная часть поглощается высшими слоями атмосферы и т. д. До поверхности планеты и примыкающей к ней части атмосферы доходит менее 50 процентов от общей энергии, посылаемой Солнцем, то есть 2 · 10¹³ ккал/сек, 5 процентов от этой энергии составляет 10¹² ккал/сек, или в год 10¹² · 3 · 10⁷ = 3 · 10¹⁹ ккал/год.

В нашем предположении именно эта энергия является максимально возможной тепловой энергией, которую допустимо получать от всех термоядерных и атомных электростанций. Сравним это число с энергией всего добываемого в год топлива (нефть, газ и уголь). Как мы видели, в год добыча их составляет 6 · 10⁹ тонн условного топлива с теплотворной способностью 7 · 10⁶ ккал/т, что дает 4,2 · 10¹⁶ ккал/год. Таким образом, от термоядерной энергии мы получим 3 · 10¹⁹/4,2 · 10¹⁶ = 700, то есть в 700 раз больше энергии, чем мы имеем сейчас. Возможно, что это число несколько преувеличено и на самом деле термоядерной энергии будет лишь в 500 или даже в 300 раз больше, чем энергии от сожженных полезных ископаемых. Но все равно это грандиозная цифра. Такого количества энергии, вероятно, будет достаточно будущему человечеству, если, конечно, население Земли, особенно за счет Юго-Западной Азии, не будет увеличиваться ежегодно в течение ближайших столетий более чем на 1,7 процента, как это имеет место сейчас.

* * *

Большие перспективы открываются перед человечеством в связи с лучшим использованием солнечной энергии. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4 · 10¹³ больших калорий. Однако даже в абсолютно чистой атмосфере рассеивается и поглощается около половины солнечного света, и до поверхности Земли доходит лишь около 50 процентов от указанной выше величины. Облака, пыль и т. п. уменьшают долю доходящей энергии примерно до 40 процентов. И все же общее количество солнечной энергии остается совершенно грандиозным, в десятки раз больше, чем то, что можно получить от «предельно» допустимого использования управляемой термоядерной реакции.

Возникновение жизни на Земле связано с появлением сперва микроскопических, а затем и весьма крупных растений, которые в процессе эволюции выработали аппарат фотосинтеза, позволяющий за счет энергии Солнца превращать углекислоту и воду в органические вещества и одновременно превращать связанный кислород в свободный. Последнее определило создание и поддержание кислородсодержащей атмосферы Земли, а также стабилизацию углекислоты в атмосфере. Все эти условия, вместе взятые, создали возможность появления животного мира.