С помощью света или потока электронов можно сжать вещество в тысячи раз сильнее, чем самым мощным прессом или взрывом. Сверхсжатие вещества приводит к появлению новых интересных физических эффектов.
В последние годы были открыты принципиально новые возможности получения сверхвысоких давлений и сверхсжатия вещества. Еще недавно давление в миллион атмосфер считалось рекордным в лабораторной практике, теперь создаются лабораторные установки, в которых давление может достигать миллионы миллионов атмосфер.
Такое давление удалось получить с помощью мощных потоков лазерного излучения или мощных электронных пучков, вызывающих сильный нагрев и испарение вещества.
ДАВЛЕНИЕ ИСПАРЕНИЯ
Уже в первые годы лазерной физики, исследуя мощные излучения, способные испарять и прожигать материалы, советские ученые показали, что при сильном нагреве вещества на его поверхность начинает действовать реактивное давление испарения.
В этом случае на поверхность давят пары самого вещества, которые вырываются наружу, как будто газовые струи из реактивного двигателя. Отсюда, кстати и название «реактивное давление». Теория предсказала, а измерения подтвердили, что реактивное давление может в десятки и сотни тысяч раз превышать давление самого светового или электронного луча, вызывающего испарение и достигать колоссальных величин. Например, при плотности светового потока 10^17 вт/см2, которую дает сфокусированный луч современного мощного лазера, реактивное давление на поверхности «мишени» может достигать 10^12 атм. Важно отметить, что лазерный луч в этом случае лишь доставляет энергию к поверхности, а само давление создается совершенно другим механизмом - реактивной отдачей испаряющегося вещества.
Давление испарения, кстати, было зарегистрировано уже в первых опытах с лазерами по отклонению баллистического маятника, на поверхность которого фокусировалось лазерное излучение, а также в опытах по пробиванию мишеней, опять-таки вследствие высокого давления.
По-видимому, эти эффектные опыты положили начало различным прикладным проектам, которые можно встретить в зарубежной печати. Такими, в частности, как проект Кантровица, который предлагает использовать реактивное давление, возникающее под действием лазерного излучения, для запуска ракет, антиракет и спутников. Мощные лазерные установки (это могут быть газовые или газодинамические лазеры), расположенные на земле, будут направлять лучи на ракеты. Пойманный и сфокусированный оптической системой ракеты лазерный луч будет разогревать рабочее вещество ракеты намного сильней, чем это происходит при химических реакциях и в результате резко увеличится скорость истечения вещества. А это, в свою очередь, позволит обходиться меньшими запасами топлива для вывода одной и той же полезной нагрузки, позволит уменьшить начальную массу ракеты при той же полезной нагрузке или увеличить полезную нагрузку при той же начальной массе.
Насколько жизнеспособны эти проекты, покажет будущее. Сегодня же сверхсильные давления, создаваемые лазерным лучом, уже используются физиками для изучения вещества. Удивительные возможности открывает перед физикой сверхсильное сжатие вещества, которое при определенных условиях можно получить с помощью сверхсильных давлений.
«БОЛЬШОЕ ДАВЛЕНИЕ» ЕЩЕ НЕ ОЗНАЧАЕТ «БОЛЬШОЕ СЖАТИЕ»
А теперь посмотрим, что происходит в самом веществе под действием сверхсильных давлений. Очевидно, что с увеличением давления вещество должно сжиматься и его плотность, которую принято выражать массой атомов в кубическом сантиметре, должна также возрастать. Вещество должно становиться все более плотным, должно сжиматься все сильнее и сильнее. В действительности же в экспериментах удалось зарегистрировать предельное сжатие, предельное увеличение плотности лишь в 20 - 30 раз. (Мерой сжатия считают отношение плотности сжатого вещества к его начальной плотности.) И это в то время, как давление на мишень возрастало в миллионы раз!
Сравнительно небольшое увеличение плотности объясняется довольно просто. Все эксперименты по созданию сверхсильного давления проводятся с импульсными лазерами только они могут обеспечить, хотя и на короткое время, достаточно мощный поток энергии. Уже в самом начале светового импульса, при резком скачке давления, в веществе мишени возникают ударные волны. Они быстро нагревают вещество и оно просто разлетается, не успев достаточно сильно сжаться.
Для того, чтобы избежать появления ударных волн и увеличить тем самым возможности сжатия вещества, нужно, чтобы давление на «мишень» нарастало плавно.
Недавно американские физики предложили осуществить лазерное сверхсжатие, меняя реактивное давление (то есть в конечном итоге мощность лазерного луча) во времени так, чтобы в веществе не образовывались ударные волны. Оказалось, что скорость сжатия (то есть скорость движения границы сжимаемого вещества) не должна намного превышать скорость звука в веществе. Но скорость звука сама увеличивается при сжатии из-за нагрева вещества и поэтому скорость сжатия может во времени все более нарастать. Подсчеты показали, что мощность лазера должна нарастать по графику, показанному на рис. 2. В то же время лазерный импульс, как правило, имеет другую форму, напоминающую колокол (пунктирная кривая на рис. 2), и поэтому он не может быть использован для сверхсжатия.
Сильнее всего можно сжать мишень, если направить на нее излучение со всех сторон.
Лазерные лучи со всех возможных направлений воздействуют на мишень - небольшую частицу вещества, у которой происходит испарение со всей поверхности. Плотность сильно нагретых и вследствие этого ионизованных паров уменьшается по мере удаления от поверхности. Зона поглощения света быстро отодвигается от поверхности мишени на несколько десятых долей миллиметра - свет не может проникнуть в слишком плотную плазму, в «густой» слой испаряющегося вещества из-за так называемого плазменного отражения. От границы поглощения света тепло доходит к поверхности мишени за счет высокой электронной теплопроводности, вызывая интенсивное испарение. Такое испарение со сферической поверхности вызывает самосжатие частицы. Модель эта просто рассчитывается на вычислительных машинах ввиду радиальной симметрии всей системы. Проведенные расчеты показали, что использование светового импульса специальной формы позволит достигнуть сжатия в тысячи и десятки тысяч раз. Уже первая из этих цифр дает основание для того, чтобы применить термин «сверхсжатие»
Однако и при самых благоприятных условиях сжатие вещества не может нарастать беспредельно. В какой-то момент начинают «работать» квантовые особенности поведения свободных электронов, которые и кладут предел сжатию (при уменьшении объема, который приходится на каждый электрон, резко возрастает их кинетическая энергия).
Электронный газ, подчиняющийся квантовым законам, обычно называют вырожденным. При данном давлении можно определить предельную концентрацию вырожденного электронного газа, то есть в итоге предельное сжатие вещества. Например, давлению 10^12 атм., которое могут обеспечить современные лазеры, соответствует концентрации 10^27 электронов/см3. А поскольку в нормальном состоянии концентрация примерно равна 10^23 электронов/см3, то при названном давлении вещество сжато в 10 000 раз (10^27 10^23 = 10^4).
Расчеты четко показали связь максимального сжатия с формой импульса чем больше отличалась форма импульса от оптимальной, тем меньше было сжатие (см. рис. 4).
Сложность создания импульса специальной формы (отметим, что речь идет о наносекундных импульсах, то есть имеющих длительность в миллиардные доли секунды), большие световые мощности и энергии, необходимые для достижения сверхсжатия, невольно рождают вопрос, а, что же приобретает наука и техника, сделав шаг от теории к практическому получению сверхсжатия? И оправдаются ли материальные, и интеллектуальные затраты, которых потребует этот шаг?
Несколько приведенных дальше примеров возможного использования сверхсжатия могут, по-видимому, послужить основанием для положительного ответа на эти вопросы.
СВЕРХСЖАТИЕ И ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Одним из первых появилось предложение использовать сверхсжатие для решения проблемы управляемой термоядерной реакции. Это предложение было изложено американским физиком профессором Э. Теллером в Монреале на международной конференции по квантовой электронике весной 1972 года. Сверхсжатие может резко уменьшить расход энергии, необходимой для получения самоподдерживающегося термоядерного синтеза. Это связано с двумя факторами.
Во-первых, при сверхсжатии из-за большой концентрации дейтерий-тритиевой смеси, а именно ее предполагается нагревать и сжимать лазерными или электронными лучами - резко возрастает скорость реакций синтеза, которая пропорциональна квадрату концентрации вещества.
Во-вторых, при очень больших плотностях заряженные вторичные частицы, возникающие при реакции синтеза, оставляют свою энергию в веществе, способствуя тем самым дополнительному нагреву.
Расчеты показали, что энергии лазера в БО - 100 кдж уже достаточно для термоядерной вспышки с выходом энергии, не только восполняющим энергию света, но, и превосходящим ее примерно в 10 раз. Однако этого превышения пока все же недостаточно - КПД лазерных устройств невысок, особенно для лазеров большой мощности. Для термоядерных экспериментов прежде всего намечают использовать твердотельные лазеры (КПД около 1%), и импульсные газовые лазеры (предполагаемый КПД - несколько процентов). Что же касается предельной энергии, то пока есть установки с необходимой длительностью импульса на энергию не больше 1 кдж в наносекундном диапазоне. В печати высказывалось мнение, что не представляет серьезных трудностей создать такие установки на 10 кдж, постройка установок на 100 кдж представляется достаточно сложным делом.
Но важно другое. До того, как предложили использовать сверхсжатие в лазерных установках термоядерного синтеза» затраты энергии оценивались в 107 дж (10 000 кдж). Ну, а лазеры с такой энергией появятся, по-видимому, уже совсем не скоро. Идея сверхсжатия, как считают некоторые специалисты, приблизила возможность практической реализации лазерного термоядерного синтеза до ближайших нескольких лет, так, как она позволит уменьшить необходимую энергию лазера в тысячи раз.
Именно в связи с этим в большом количестве в последнее время появляются уже различные конкретные варианты проектов лазерно-термоядерных электростанций. На пути их реализации есть, конечно, много трудностей, в частности связанных с созданием мощных лазеров.
СВЕРХСЖАТИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДОЛЖАЮТСЯ
В последнее время в научной и популяр, ной литературе появляется немало публикаций, посвященных сверхсжатию вещества, и, в частности, высказываются различные предположения о возможностях использования этого интересного физического явления, рассказывается об экспериментах по его получению и использованию.
Вот лишь два примера. Первый из них касается лазерного нагрева вещества.
В Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР действует многоканальная установка для сферически-симметричного облучения твердой мишени. На этой установке (см. рисунок) получены к настоящему времени рекордные параметры плазмы, нейтронный выход из термоядерной реакции и сжатие плазмы до плотности, значительно превышающей плотность твердого тела. Установка - единственная в мире, и, возможно, она послужит прообразом световой части лазерного термоядерного реактора будущего.
Другой -пример касается теоретических работ, связанных с получением цепных реакций при очень небольших критических массах делящегося вещества. Такие «микро-критические массы» могут представить большой интерес для физиков-экспериментаторов.
При испарении вещества под действием мощного излучения могут быть получены колоссальные сжимающие давления. Эти давления пытаются использовать для получения термоядерной реакции синтеза.
Такое сверхсжатие может быть использовано и для решения других проблем получения микроскопических критических масс делящихся тяжелых элементов, получения сверхсильных магнитных полей и ускорения частиц. Если масса ниже критической, то образовавшийся нейтрон вылетит за ее пределы до размножения и лавинообразная цепная реакция не возникнет. Так, как пробег нейтронов обратно пропорционален концентрации ядер, rii, критический размер пропорционален 1/пi. При этом критическая масса Мс примерно равна:
Полезно покрыть сжимаемую частицу так называемым абляционным покрытием, которое даст максимальное светореактивное давление и оно может быть подобрано так, чтобы отражать часть нейтронов внутрь рабочего объема.
При всестороннем сжатии лазерным излучением и при стократном уменьшении объема давление может достигать 1011 атм. Такое давление при некоторых условиях соответствует плотности 1025 ядер в 1 см3, и пробегу нейтрона 3 - 10-2 см. Можно получить критические размеры порядка 10-2 см, и критическую массу порядка 10-2 г. Даже если прореагирует только один процент ядер, это даст энергию около 107 дж, что в сотни раз превосходит энергию, потраченную при сжатии вещества.
Время энерговыделения от нейтронной лавины около G - 10-п сек., а время разлета порядка 10_|° сек., так, что разлет не успеет уменьшить эффекта цепной реакции. Импульсные микрокритические массы могут быть использованы для получения импульсных нейтронных и нейтринных потоков (порядка 10 17 нейтронов за 10~'° сек.).
Сильное сжатие вещества может быть использовано для сжатия магнитного поля, вмороженного в вещество или находящегося в полости внутри вещества, подвергающегося сжатию (аналогично взрывному методу получения сильных магнитных, полей). При начальных полях 10 5 - 106 э, что достижимо в лабораторных соленоидах, в сплошных телах сжатие может дать поле Н 108 -г109 э. При сжатии полого тела можно достичь больших значений магнитного поля.
Большие индукционные электрические поля порядка 109 в/см могут вызвать вблизи поверхности сжимаемого тела ускорение электронов и ионов до энергии 3Z гигаэлектронвольт (Z - эффективный заряд частицы).
Журнал «Природа» № 12, 1973 г., и № 6, 1974 г.
