New Scientist
КАК ЗАЖЕЧЬ ВОДОРОДНУЮ МИНИБОМБУ
Американский физик, работающий в Триесте, сделал революционное, но убедительное предложение о механизме запуска ядерного синтеза. Используя магнитную сверхпроводящую концентрацию материала и интенсивную автоионную эмиссию, он получил обнадеживающие, но слишком громоздкие для военного применения решения. Однако, они имеют значение в выработке электроэнергии в неограниченных количествах.
Доктор Петер СТАББС
- научный редактор New ScientistЧеловек кажется тратит свои силы в не очень хорошем направлении, но владея неограниченным источником энергии он создал бы Нирвану на Земле, но большинство из нас верит или просто в "ад на земле", или думает, что всё связанное с данным делом является чисто академическим вопросом. Однако, это направление, которое мы рассмотрим, целый поток достижений в нем - только вопрос времени и средств, и мы безусловно движемся к этому. Возможно мы все еще управляемся наследственной ненавистью, порожденной ужасами, проявившимися в ходе промышленных революций. Безотносительно причины, в один прекрасный день мы конечно будем управлять термоядерной реакцией, что создаст неограниченные объемы дешевой энергии.
Появление этого чуда и невообразимого мира, который из этого последует, может быть намного ближе чем, мы думаем. В основном достижение термоядерных реакций в соответствующей смеси тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития, зависит от достаточной концентрации энергии, и достаточно быстро, в достаточно малом объеме достаточно плотном, чтобы нагреть его до ядерной температуры воспламенения. В водородной бомбе этот спусковой механизм - атомная бомба в его центральной части. Звезды зажигаются преобразованием огромных количеств энергии в теплоту в пределах их плотных ядер. Мирный человек, пока, в значительной степени сконцентрировал свои усилия на подчинении непослушного монстра в нагревании плотного газа плазмы, сдерживаемого в каких-либо причудливых магнитных ловушках. Мы уже рассказывали несколько недель назад (см. "Другой способ многозвенной схемы ядерного синтеза", Ларри Миллер, New Scientist, vol. 40, с. 186), как исследователи, достигают некоторого прогресса в этой области, но это - медленная работа. Имеется плохая склонность для любого прогресса в том, что он сопровождается новым комплексом проблем.
Маловероятно, что мы найдем правильное решение на пути уловления беспорядочного движения Фарадеевой стрелки компаса и бухты проволоки, но много физиков, задаются вопросом, не имеется ли обходного пути - короткого, которым мы могли бы прийти к цели, обойдя существующие утомительные эксперименты и сумашедшие теоретические вычисления. Фактически, одно или два альтернативных предложения были уже высказаны, но они были слишком условны, чтобы звучать убедительно. В свежем номере Physical Review (том. 174, номер 1 с. 212), профессор Ф. Винтерберг, который работает в Международном центре теоретической физики в Триесте, выдвигает новую концепцию достижения управляемого ядерного синтеза. Его объяснения детализированы сухими методиками в документе, полностью выполнимом.
Единственный барьер для изготовления очень маленьких водородных бомб - критическая масса запуска цепной реакции. Чтобы стимулировать две пластины листового урана-235 к тому, чтобы взорваться, когда они совмещены вместе, полная масса, должна быть большие чем некоторое количество. Вспышка, таким образом, всегда велика для того, чтобы управлять ей. Альтернатива, на которой основано утверждение Винтерберга, должна дать меньший критический уровень, способный к выдаче энергии в смесь в достаточно высокой скорости. В наиболее соответствующем виде, это жидкий или твердый дейтерий или тритий. Этот спусковой механизм должен вынудить к реакции больше чем 1014 Эрг в объеме никак не больше, чем несколько кубических миллиметров за время не больше чем несколько миллиардных долей секунды.
Эти условия для поджига термоядерного костра довольно требовательны. Для сравнения, один килограмм тротила производит вспышку 1014 Эрг. Для выработки электроэнергии или ракетной техники Винтерберг рассчитывает, что управляемым способом были бы микроразмерные водородные бомбы, дающие столько энергии, сколько содержится в одной или возможно десяти килотоннах тротила.
Идея изобретения меньшего спускового механизма для термоядерных устройств явно не нова. Кроме соблазнов подхода, чтобы производить термоядерное оружие, это привлекло внимание лазерных специалистов, беспокоящихся о новых областях использования их все более и более, мощных лучей лазера. Увы, даже наиболее перспективный из гигантских импульсных лазеров это слишком длинный путь для энергий заданной концентрации.
Другие, включая самого Винтерберга обдумали возможность ускоряющихся пылинок с такими высокими скоростями — приблизительно 1000 km/s —, что преобразование кинетической энергии в теплоту при столкновении с мишенью дейтерия и трития зажгло бы их. Советские физики все же пробовали использовать лазерный луч для пылинкок в надежде, что произведенное испарение даст им скорости подобные небольшим реактивным снарядам. Они могут, фактически, достигать достаточных скоростей, чтобы моделировать условия метеорной пыли.
Пока другая версия этой концепции не должна была разгонять сверхпроводящие частички пылинок, движущихся в магнитной волне. Соответствующая машина, однако была бы получена в Итальянской Национальной Ядерной Лаборатории в экспериментах Фраскати делавшихся для того, чтобы пробовать зажечь малые термоядерные устройства чрезвычайным сжатием, интенсивными магнитными полями, которые в свою очередь, будут производиться с выделением энергии или с помощью взрывчатого вещества. Новая идея Винтерберга, которую я повторюсь, анализируя детально, заключается в том, чтобы осветить малое количество дейтерия трития разрядом усиливаемого излучения, по существу являющимся большой искрой зажигания.
Методика кажется выполнимой в результате лабораторного проектирования, описанного в прошлом году, в котором автоэлектронный процесс используют, чтобы произвести высокую плотность мощности электронных лучей, доходящей до миллионов мегаватт, и времени действия до одной десятой наносекунд. Электроны с энергиями несколько MeVs создают электрический ток более 100000 ампер для их краткого но яркого действия. Здесь, в этом своеобразном перфораторе, не должны ли мы использовать эти удары света для детонации ядер с превращением их в более тяжелые? Данная достаточно большой каплей реагирующего вещества освобожденная термоядерная энергия будет отводиться назад в смесь и заставлять детонировать следующую.
Автоэлектронный процесс производится с помощью специального разряда большого банка конденсаторов сквозь строй из катодов, ощетинивающихся внутрь вогнутой полости, которая сосредотачивает потоки испускаемых электронов на малой площади мишени. Конденсаторная батарея соединена вместе так называемой цепью Маркса, которая допускает конденсаторам, заряженным в одним напряжением, в то время как они соединены параллельно, после переключения их последовательно дать внезапно сквозные искровые разряды так, чтобы разрядное напряжение умножилось на число отдельных конденсаторов (см. Рисунок 1). До настоящего времени, такие разряды достигали энергий приблизительно 1011 Эрг, расходуемой за приблизительно 10 наносекунд.
Существующие методы, считает профессор Винтерберг, могли бы решить поставленную задачу, если бы их размеры устройств были увеличены. Однако, его плодородное воображение придумало радикально новый способ произвести даже более гигантские искры зажигания. Обычные конденсаторы имеют ограничение из-за электрического пробоя, инициализированного электронами, испускаемыми с поверхностных дефектов. Соответственно, в устройстве, имеющем такую форму, что сильное магнитное поле отталкивает эти электроны назад, в их нормальное место и таким образом удерживают заряд до более высоких напряжений.
Мысль приводит нас к тому, чтобы применить этот принцип для того, чтобы взять разрезанное сверхпроводящее кольцо, устанавить постоянный кольцевой ток в нем и увеличивать его магнитным способом так, чтобы этот процесс происходил изолировано электрически внутри высокого вакуума. Мы бы могли тогда заряжать кольцо до болеее высокого напряжения, чем обычный конденсатор. Кольцевой ток был бы низким для необходимых условий реакции синтеза в установке профессора Винтерберга, но быстро увеличивающимся во времени до величины необходимого порядка. Получающийся луч можно было бы также фокусировать на площади мишени, не больше, чем несколько миллиметров в поперечнике, насколько это будет необходимым.
Рисунок 1. В конденсаторах цепи Маркса, соединенных параллельно, их внезапно переключают искровыми промежутками так, чтобы они были последовательными. Это умножает начальное напряжение на число конденсаторов, допуская производство интенсивных, быстрых электронов автоэлектронной эмиссии.
Рисунок 2 Поддерживаемое магнитным способом сверхпроводящее кольцо, изолированное в высоком вакууме и проводящее большой электрический ток, могло бы заряжаться до гигавольтных потенциалов перед пробоем
Чтобы извлечь большее количество энергии из мини-бомбы, чем мы подвели к ней, капля дейтерия-трития должна иметь диаметр по крайней мере полсантиметра. Это вероятно должно быть проведение материала в устройстве большого сечения для предупреждения потери энергии слишком быстрым рссеянием, - главным источником потерь энергии. Как минимум пять мегаджоулей энергии требовались бы, чтобы зажечь сферу в полсантиметра жидкого дейтерия-трития. Быстродействующие конденсаторные батареи на 1 МДж уже созданы. 10-MJ в каждом конденсаторе - в настоящее время в разработке в США. Считается, что, чтобы разряжать энергией этой величины за 10 наносекунд без выхода за пределы возможных плотностей тока электронная эмиссия нуждается в приблизительно 300 катодах. Действительно ли так? Будет ли сфокусированный ток стабильным, может решить только эксперимент.
Более серьезное возражение состоит в том, что электроны с энергиями несколько MeV имеют тенденцию перелетать малую мишень в несколько см без того, чтобы доставить к ней энергию. Можно, однако, сделать так, чтобы сфокусировать их на мишени сильным магнитным полем, применяемым в настоящее время для разрядки.
Альтернативно — и это, кажется верным, что профессор Винтерберг считает наиболее перспективным, мы могли бы использовать испускаемые полем ионы вместо его собственного магнитного поля, окружающего поток электронов, которое должно остановить отклоняющиеся электроны от заряженной мишени.
Если кольцо было бы покрыто нормальным проводником, ток сверхпроводимости мог бы быть установлен в пределах этой магнитной индукции одновременно. Линии магнитной индукции могли бы нести электроны от тлеющего разряда до кольца, чтобы зарядить его. Иначе можно заряжать его электронной пушкой. Проф. Винтерберг вычислил, что длина 10-сантиметровой в диаметре сверхпроводящей полосы, изогнутой в окружность кольца, три метра в диаметре, могла бы заряжаться почти до одного гигавольта, давая при этом энергии электростатического взаимодействия, равной почти 1015 Эрг — на много больше, чем требует ядерный синтез, хотя при этом имело бы место более длительное время разряда. Даже более высокие напряжения могли бы быть достигнуты с энергией порядка, возможно, 1017 Эрг. Эту энергию извлекли бы через искровой промежуток и использовали в игольчатом катоде (Рисунок 2). Конечная скрутка должна была бы заменить полость анода для каждого катодного элемента и проводить газ сквозь них, чтобы произвести интенсивную автоионную эмиссию. Включенные электрические поля должны быть достаточно большие, чтобы ионизировать атомы газа. Только десять из таких эммитеров могли бы быть необходимы. При этих условиях аноды могли бы даже разрушаться, чтобы создавать поток быстрых микрочастиц, помогающих передаче энергии мишени. В целом, достаточно бесшумные взрывы, производимые в эксперименте будут производить распад ядер!
|
|
 |
