ПЛАЗМА
В МАГНИТНОЙ РУБАШКЕ
Глава из книги "Магнит за 3 тысячелетия", автор В. Карцев
Среди технологических революций конца XX века одной
из самых главных является перевод потребителей на атомное топливо.
И снова магнитные поля оказались в центре внимания. Только они смогут
обуздать своенравную плазму в «мирной» термоядерной реакции, которая
должна прийти на смену реакциям деления радиоактивных ядер урана
и тория.
Что бы еще сжечь? – навязчивым рефреном звучит вопрос, вечно мучающий
энергетиков. Довольно долго нас выручали дрова, но у них малая энергоемкость,
а потому дровяная цивилизация примитивна. Сегодняшнее наше благосостояние
основано на сжигании ископаемого топлива, однако легкодоступные
запасы нефти, угля и природного газа медленно, но верно иссякают.
Волей-неволей приходится переориентировать топливно-энергетический
баланс страны на что-то другое. В будущем веке остатки органического
топлива придется сохранять для сырьевых нужд химии. А основным энергосырьем,
как известно, станет ядерное топливо.
Ядерная энергия много лучше энергии химической вследствие
высокой концентрации на единицу массы топлива. Уран, один из самых
дорогих металлов, стал самым дешевым топливом, ибо по производству
тепла 1 г его эквивалентен 3 т антрацита. Даже переход на все более
трудноразрабатываемые месторождения, что со временем неизбежно,
атомная энергетика в состоянии перенести безболезненно. Хотя уран
подорожает, стоимость топлива скажется только на пятой части затрат,
нужных для производства электроэнергии на АЭС.
Весьма привлекательные перспективы связаны не с
делением ядер, а с их синтезом. Если сольются два легких ядра, то
при этом выделится гораздо больше энергии, чем при делении тяжелого
ядра. Энергоресурсы для синтеза ядер много доступнее: из дейтерия,
содержащегося в 1 л воды, можно получить столько же энергии, сколько
из 350 л бензина, так что четыре земных океана равноценны 1400 океанам
бензиновым! Даже при стократном росте потребления этих запасов хватит
на миллиарды лет.
Технология ядерного синтеза несложна. Ядра дейтерия
и трития – изотопов водорода, составлены из протона плюс один или
два нейтрона. Если эти ядра сольются, то возникнут новое летящее
ядро гелия (оно несет пятую часть энергии синтеза) и осколок – свободный
нейтрон (четыре пятых энергии). Отобрать энергию реакции можно нагревом
воды.
Чтобы воплотить в жизнь эту очередность действий,
нужно сначала решить простую задачу: как сблизить ядра, ведь они
расталкиваются электрическими силами? Выяснилось, что подвести ядра
вплотную друг к другу можно тремя способами.
Инерцией, например. Если ядро-снаряд сильно разогнать,
то при большой скорости оно проскочит в мертвую зону около ядра-мишени,
где ядерное притяжение уже в сотни раз сильнее электрического отталкивания.
А разогнать ядро можно на ускорителе (это пока экономически невыгодно)
или нагревом газа (потому и называется синтез термоядерным).
Второй способ сближения – сжать смесь нужных атомов
какими-то сторонними силами, очистив ядра от электронной «скорлупы».
Этот способ оказался вполне приемлемым. И еще одно предложение:
погасить расталкивание особым ядерным «клеем» из мюонов – элементарных
частиц.
Еще в середине века ученые отважно взялись за решение
проблемы «термояда», хотя кое-что оставалось неизвестным. Какова
же природа ядерных сил? Почему они в миллионы раз интенсивнее химических
сил? Отчего эти силы действуют только вблизи ядер, зависят от их
ориентации и скорости, а вне ядра быстро исчезают?
За последние тридцать лет появились (но пока только
в лабораторном исполнении или только в мыслях, уже подкрепленных
расчетами и опытами) три класса гипотетических конструкций ядерных
реакторов синтеза будущего.
Весьма перспективными оказались лазерные реакторы.
Под руководством академика Н.Г. Басова в Физическом институте АН
СССР уже построены гигантские модели, напоминающие сказочных спрутов.
Стеклянные шарики с газовой начинкой расстреливаются сотнями лазерных
вспышек, с разных сторон согласованно бьющих в одну цель. Горящие
мишени сжимаются расширяющимся газом, плазма начинает рассеиваться,
но за миллиардные доли секунды часть ядер успевает слиться. Пока
что показатели таких пушек почти рекордны: температура плазмы уже
достигла нужных 100 млн. градусов, но плотность ее надо поднять
еще раз в пятьдесят.
Самое заслуженное и, видимо, наиболее перспективное
направление разработок, родившееся в Институте атомной энергии имени
И.В. Курчатова, – токамаки. (Это название образовано из слов ТОк,
КАмера, МАгнитные Катушки. Другая расшифровка: Тороидальная КАМера
с АКсиальным магнитным полем.) В тороидальной камере газ греется,
а плазму от соприкосновения со стенками удерживают огромные магнитные
поля. На токамаках удалось нагреть плазму до 250 млн. градусов,
но плотность или время удержания ее надо бы увеличить раз в десять.
Какой сосуд выдержит такую высокую температуру?
Прикоснувшись к стенкам сосуда, плазма либо охладится до такой температуры,
при которой реакция станет невозможной, либо испарит стенку, как
испарила стальную башню и песок при термоядерном взрыве на атолле
Бикини. Никакой материал не может выдержать таких высоких температур,
и поэтому в 50-х годах вопрос: «В чем держать плазму?» привлек внимание
ученых всего мира.
Физики Советского Союза, США и Великобритании, являвшиеся
в то время «атомной тройкой», разъединенные непроницаемым барьером
секретности, примерно в одно время начали работать над этой проблемой.
После выступления И.В. Курчатова в Харуэлле в 1956 г., где он неожиданно
для английских и американских физиков «раскрыл карты» и рассказал
о самых «секретных» термоядерных исследованиях, барьер секретности
был снят. Выяснилось, что физики трех разных стран пришли к одному
выводу: единственная возможность удержать плазму и не дать ей охладиться
– использовать магнитное поле. Невидимое, неосязаемое, оно прочной
сетью силовых линий будет держать плазму вдали от стенок любого
сосуда, которые она могла бы испепелить. Выяснилось также, что физики
СССР, США и Англии не только разработали однотипные установки, но
и получили на них примерно одинаковые параметры плазмы. Более того,
жаргонные названия установок также оказались одинаковыми!
Идея магнитной термоизоляции плазмы основана на
известном свойстве электрически заряженных частиц, движущихся в
магнитном поле, искривлять свою траекторию и двигаться по спирали
силовых линий поля. Это искривление траектории в неоднородном магнитном
поле приводит к тому, что частица выталкивается в область, где магнитное
поле более слабое. Задача состоит в том, чтобы плазму со всех сторон
окружить более сильным полем. Эта задача решается во многих лабораториях
мира.
Магнитное удержание плазмы открыли советские ученые,
которые в 1950 г. предложили удерживать плазму в так называемых
магнитных ловушках (или, как часто их называют, в магнитных бутылках).
Примером весьма простой системы для магнитного удержания
плазмы может служить ловушка с магнитными пробками или зеркалами
(пробкотрон). Система представляет собой длинную трубу, в которой
создано продольное магнитное поле. На концах трубы намотаны более
массивные обмотки, чем в середине. Это приводит к тому, что магнитные
силовые линии на концах трубы расположены гуще и магнитное поле
в этих областях сильнее. Таким образом, частица, попавшая в магнитную
бутылку, не может покинуть систему, ибо ей пришлось бы пересекать
силовые линии и вследствие лоренцевой силы «накручиваться» на них.
На этом принципе была построена огромная магнитная ловушка установки
«Огра-1», пущенной в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова
в 1958 г. Вакуумная камера «Огра-1» имеет длину 19 м при внутреннем
диаметре 1,4 м. Средний диаметр обмотки, создающей магнитное поле,
составляет 1,8 м, напряженность поля в середине камеры 0,5 Тл, в
пробках 0,8 Тл.
Но, как выяснилось, магнитная система указанного
типа в ее «чистом» виде обладает серьезными недостатками. В этой
системе самое слабое магнитное поле получается в середине канала
у стенок. Сюда и устремляется плазма при разряде и уже менее чем
через 0,001 с оказывается на стенках камеры.
Новый шаг по усовершенствованию «бутылок» был сделан
в 1963 г., когда в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова
была пущена установка ПР-5. Идея этой установки предложена Б.Б.
Кадомцевым, который исследовал причины неудач с чистыми пробкотронами.
Он установил, что для более успешного удержания плазмы необходимо
усложнить конфигурацию магнитного поля, и предложил в дополнение
к системе магнитных пробок вдоль образующих активного цилиндра сделать
еще одну обмотку таким образом, чтобы по соседним проводникам ток
шел в противоположных направлениях. Это должно было привести к тому,
что вблизи стенок цилиндра создавалось бы дополнительное магнитное
поле, препятствующее приближению плазмы к стенкам.
При наложении поля прямолинейных проводников на
«бутылочное поле» получается весьма замысловатая картина.
Установка была построена советскими физиками – сотрудниками
Института атомной энергии имени И.В. Курчатова, работавшими под
руководством М.С. Иоффе. Прямолинейные проводники были расположены
под катушками, создающими магнитное поле пробок. Индукция продольного
магнитного поля в центре камеры составляла 0,8 Тл, в области пробок
1,3 Тл, индукция магнитного поля прямолинейных проводников вблизи
стенок была равной 0,8 Тл, длина рабочего объема 1,5 м, диаметр
40 см.
Первые же эксперименты окрылили физиков. Устойчивость
плазмы возросла в 35 раз по сравнению с устойчивостью, имевшей место
на чистых пробкотронах, и плазма жила в течение нескольких сотых
долей секунды.
В 1964 г. вступила в строй установка «Огра-11»,
в которой также использован принцип комбинированных магнитных полей.
Усложнение конфигурации магнитного поля – ключ к
долгоживущей плазме. Созданы магнитные системы со встречными полями
(установка «Орех»), антипробкотроны и другие весьма изощренные установки.
Можно попытаться преодолеть «ускользание» частиц
из рабочей зоны через «горлышки» магнитных бутылок типа пробкотрон
еще одним остроумным способом: сделать рабочую зону не цилиндрической,
а тороидальной. В этом случае частица, ускользающая из пробкотрона
через горлышко, опять оказывается в рабочей зоне! Эта идея, оказавшаяся
очень жизнеспособной, и была использована во множестве модификаций.
Что будет, например, если создать в тороидальной камере продольное
магнитное поле? Любая заряженная частица, попавшая в камеру, должна
была бы двигаться так, чтобы ее траектория «навивалась» на магнитные
силовые линии. Однако вскоре сами авторы нашли в своей системе серьезный
дефект. Оказалось, что в тороидальной камере, где магнитные силовые
линии искривлены, индукция магнитного поля (густота силовых линий)
у внутренней стенки трубы выше, чем у наружной. Это объясняется
упругостью силовых линий, стремлением их как можно больше сократиться.
В результате у внутренней стенки, где путь короче, скапливается
больше силовых линий, чем у наружной.
Эта неоднородность магнитного поля изменяет спиральный
характер орбит частиц. Вблизи внутренней поверхности замкнутой на
себя трубы – тора, где поле больше, частицы должны были бы двигаться
по орбите с меньшим радиусом, чем около внешней поверхности. В результате
этого заряженные частицы «дрейфуют» поперек силовых линий магнитного
поля, причем положительно заряженные ядра налетают на «потолок»
трубы, а электроны – на ее «дно». Этот дрейф частиц – вещь довольно
неприятная сама по себе, но косвенный эффект дрейфа просто катастрофичен.
Разделение зарядов по знаку вызывает возникновение в пространстве
камеры непредусмотренного электрического поля, которое совершенно
искажает орбиты частиц, бросая их на стенки камеры.
Как избежать неоднородности магнитного поля? Как
сделать так, чтобы силовые линии в тороидальной камере были равной
длины?
Этого можно добиться в том случае, если заставить
силовую линию, которая идет вдоль внутренней поверхности камеры,
на каком-то участке поменяться местами с силовой линией, идущей
около внешней поверхности. Тогда длина всех силовых линий была бы
одинаковой, и все силовые линии оказались бы в равных условиях:
каждая силовая линия, сделав виток по поверхности тора, не попадала
бы в прежнюю точку, а образовывала бы поверхность, называемую магнитной
поверхностью.
Такого эффекта можно было бы достичь, изгибая силовые
линии вокруг оси тора. В этом случае силовые линии имели бы примерно
такую же форму, как отдельные нити крученой веревки. Во вращательно-преобразованном
магнитном поле дрейф частиц свелся бы к минимуму.
Частицы, быстро движущиеся вдоль силовых линий и
таким образом все время огибающие ось камеры, не могут упасть на
нижнюю или верхнюю стенку. Когда частица, дрейфующая вверх, находится
ниже оси, она, естественно, стремится отодвинуться от нее; когда
же частица находится внизу, тот же самый дрейф вверх компенсирует
прежнее смещение, подвигая ее к оси. В результате среднее расстояние
частицы от оси остается неизменным. Подобная система использована
в стеллараторе, построенном в США. Его камера в плане имеет вид
гаревой дорожки стадиона. Внутренний радиус камеры 20 см, длина
по оси 12 м, индукция магнитного поля около 5 Тл. Мощность питающей
электроустановки 15 тыс. кВт.
Остроумный способ «вращательного преобразования»
или «свисания» магнитных силовых линий был предложен американским
физиком Л. Спитцером и советским физиком академиком Л.А. Арцимовичем.
Мы уже говорили о том, что обычное «нескрученное»
продольное магнитное поле обладает неоднородностью, приводящей к
тому, что отрицательные частицы врезаются в «пол», а положительные
– в «потолок» камеры. А что, если, оставив одну половину тора неизменной,
перепутать «пол» и «потолок» в другой половине или, короче говоря,
превратить тор-бублик в восьмерку? Тогда, начав падать в одной половине
бывшего тора, частица должна будет «падать вверх» на другой его
половине и, таким образом, в среднем останется на одном расстоянии
от оси камеры.
Если оценить тороидальные камеры типа стелларатора
с винтовой обмоткой, преобразованные в восьмерку, то можно сделать
вывод о том, что стеллараторы – это весьма совершенные магнитные
системы для удержания плазмы. Их недостаток – трудность изготовления
и дороговизна.
А нельзя ли для удержания плазмы в магнитном поле
использовать магнитное поле самой плазмы? Если в плазме есть какое-то
упорядоченное движение заряженных частиц в одну сторону, то это
означает, что плазма представляет собой гибкий шнур с электрическим
током, так как, по определению, электрический ток – это и есть упорядоченное
движение заряженных частиц.
Ток создает вокруг себя магнитное поле, силовые
линии которого опоясывают провод, по которому этот ток проходит.
Одним из важных свойств силовых линий является их стремление идти
по кратчайшему пути, их упругость, максвелловское натяжение, приводящее
к тому, что силовые линии стремятся сжать опоясываемый ими проводник
с током. В случае обычных медных проводов упругость силовых линий
не может привести к уменьшению диаметра проводов, поскольку кристаллическую
решетку твердых тел деформировать довольно трудно. Если ток течет
по плазменному шнуру, то упругость силовых линий, охватывающих этот
шнур, приводит к тому, что шнур уменьшается в сечении и отходит
от стенок камеры. Это явление, получившее название пинч-эффекта,
казалось бы, полностью решает задачу магнитной термоизоляции плазмы:
стоит «организовать» в плазме ток, как она сама отойдет от его стенок
и сожмется в тонкий шнур в середине сосуда.
Однако здесь начинает действовать свойство заряженных
частиц (и, следовательно, плазмы в целом) выталкиваться в область
с более слабым полем, туда, где меньше силовых линий, где они расположены
не так густо. Это свойство приводит к тому, что малейший изгиб или
местное сужение плазменного шнура в конце концов приводит к аварийному
процессу. Пусть, например, в силу каких-либо случайных обстоятельств
в шнуре образовался небольшой изгиб. Тогда на выпуклой части изогнутого
шнура силовые линии магнитного поля становятся более редкими, а
на вогнутой – более густыми. Плазменный шнур начинает выталкиваться
из той области, где силовые линии расположены гуще, наружу, к стенкам
сосуда, изгиб плазменного шнура увеличивается, и плазма в конце
концов попадает на стенки камеры. Это происходит так же, как в сжатой
длинной пружине, которая, как известно, неустойчива к поперечным
деформациям. Точно таким же образом местное сужение плазменного
шнура приводит к еще большему его сужению, а затем – к разрыву.
Бороться с этими явлениями можно при помощи магнитного
поля. Если вдоль плазменного шнура проходят силовые линии магнитного
поля, создаваемого каким-то посторонним источником, то упругость
этих линий приведет к тому, что любой изгиб, случайно возникший
у шнура, будет ликвидирован так же, как и случайное сужение шнура.
Примерно то же самое произойдет, если внутри сжатой пружины пропустить
растянутые упругие жгуты.
Чтобы возвращение плазмы в устойчивое состояние
проходило более эффективно, необходимо создать в ней очень сильное
продольное магнитное поле.
Другим действенным способом преодоления изгибов
плазменного шнура, особенно изгибов с большим радиусом, может быть
использование более или менее массивного металлического кожуха,
сосуда, в котором содержится плазма. Между кожухом и плазменным
шнуром проходит какой-то магнитный поток, т.е. существует магнитное
поле с его условными силовыми линиями. Если плазменный шнур сместится
со своего прежнего положения, магнитное поле между ним и кожухом
исказится, деформируется. В одном месте силовые линии будут сдавлены,
в другом – растянуты. Если опять учесть присущее магнитным силовым
линиям свойство упругости, то станет ясно, что они постараются вернуть
плазменный шнур в прежнее положение вдоль оси камеры.
Стабилизация плазмы продольным полем становится
особенно эффективной, когда удается сделать так, чтобы продольное
поле существовало лишь в плазме, а вне ее, т.е. в пространстве между
стенками камеры и шнуром, отсутствовало. Это можно осуществить в
том случае, когда сжимающийся при прохождении сильного тока плазменный
шнур увлекает за собой все силовые линии продольного поля, созданного
в полном объеме камеры. Отрываясь от стенок камеры, плазменный шнур
увлекает за собой все магнитные силовые линии, ранее существовавшие
в камере, создавая между стенками камеры и шнуром магнитный вакуум
в отношении продольного поля.
Все эти идеи начали практически воплощаться уже
в 50-х годах. Первые установки представляли собой стеклянные, фарфоровые
или кварцевые тороидальные камеры (впоследствии камеры чаще всего
стали делать из тонкой нержавеющей немагнитной стали), внутри которых
размещали рабочие камеры с медными толстыми стенками, иногда называемыми
лайнерами. На камеру наматывали обмотку, создававшую продольное
стабилизирующее магнитное поле до 0,05 Тл. Внутренняя тороидальная
камера заполнялась газом. Этот кольцевой газовый виток служил вторичной
обмоткой трансформатора. Роль первичной обмотки, питающейся от мощной
конденсаторной батареи, выполнял внешний металлический кожух камеры.
Для снижения магнитного сопротивления использовали железный сердечник.
Иногда в качестве первичной обмотки применяли обычную медную.
В одной из первых установок трансформатор состоял
из двух отдельных сердечников, имевших круглые внутренние отверстия
для размещения разрядной камеры. Сердечники с внутренним диаметром
1,5 м и внешним диаметром 3 м были намотаны ленточной трансформаторной
сталью.
Если на первичную обмотку такого трансформатора
дать мощный импульс тока от конденсаторной батареи, то во вторичном
газовом витке также возникнет электрический ток. Этот ток проходит
по газу, разогревает его до высокой температуры, превращая в плазму.
Плазменный шнур под влиянием тока сжимается и отрывается от стенок.
Сходные конструкции имели и другие первые американские
экспериментальные установки: «Спектр», «Альфа» и «Пихэпетрон». На
них были проведены многочисленные эксперименты, результаты которых,
однако, не оправдали надежд. Выяснилось, что стабилизирующее продольное
поле, вопреки первоначальным прогнозам, было мало для того, чтобы
сделать плазменный шнур устойчивым к разного рода случайным возмущениям.
Продольное магнитное поле по отношению к собственному полю плазмы
было слишком мало. Упругие жгуты внутри пружины оказались слабыми
для удержания ее от аварийных изгибов.
Чтобы обойти эту трудность, необходимо было резко
увеличить продольное поле и ослабить собственное поле шнура. Эта
задача была решена советскими учеными на установках типа токамак.
Для создания сильного продольного поля в системе использованы мощные
соленоиды, которые приходилось питать от мощных импульсных генераторов,
используемых обычно для возбуждения синхротронов. Хотя магнитное
поле, создаваемое такими системами, импульсное (продолжительность
импульса примерно 0,2 с), оно в сотни раз превосходит по длительности
время разряда и для него является практически постоянным. Магнитное
поле установок типа токамак достигает 3,5...5 Тл, т.е. в сотни раз
превышает поле установок типа «Альфа».
А как не допустить уменьшения радиуса шнура при
линч-эффекте? Ведь при уменьшении радиуса возрастает собственное
поле шнура, и те преимущества, которые достигнуты применением мощного
продольного поля, сводятся к нулю. Однако если поле шнура мало,
то шнур останется слишком широким. Он будет касаться стенок камеры
и охлаждаться. Для преодоления этого явления конструкторы установок
типа токамак решили применить в тороидальной камере диафрагмы с
небольшими по сравнению с диаметром камеры отверстиями. Эксперименты
показали, что эта конструкция обеспечивает образование шнура с сечением,
ограниченным размерами отверстий диафрагм. В установке «Токамак-3»,
пущенной в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова в 1962
г., отверстие диафрагмы имело диаметр 20 см, диаметр поперечного
сечения тора 40 см, диаметр внешнего кожуха 50 см, диаметр тора
2 м. Продольное магнитное поле до 4 Тл создавали восемь катушек
с внешним диаметром около 1 м. Каждая катушка – это монолит из 352
медных витков, запеченных в эпоксидной смоле. Питание катушек производилось
от ударного, т.е. кратковременно действующего, генератора мощностью
около 75 тыс. кВт. В 1964 г. пущена усовершенствованная установка
«Токамак-5», в которой осуществлено автоматическое управление положением
плазменного шнура внутри камеры.
В 1975 г. вошла в строй установка «Токамак-10»,
обладающая рекордными, чрезвычайно обнадеживающими характеристиками.
Дальнейшее развитие привело к разработке токамаков, обладающих параметрами,
удовлетворяющими «критерию Лоусона». В принципе на этих токамаках
мы вступим, по выражению академика Л.А. Арцимовича, в «термоядерное
Эльдорадо». И все же нельзя забывать о том, о чем говорил Л.А. Арцимович.
Он часто подчеркивал, что еще в 1958 г. на II Международной конференции
по мирному использованию атомной энергии в Женеве, казалось, что
до осуществления термоядерного синтеза рукой подать – нужно пройти
небольшей путь между двумя точками; потом оказалось, что надо не
пройти, а проехать на велосипеде; потом – что проехать на велосипеде,
но по канату; потом оказалось, что велосипед одноколесный; потом
– что ехать нужно с завязанными глазами; и наконец – что ехать необходимо
задом наперед.
Результаты экспериментов на установках типа токамак
чрезвычайно обнадеживающие. Подобные системы, по-видимому, будут
широко применяться в дальнейших исследованиях.
Каким будет термоядерный генератор? Магнитная ловушка,
по-видимому, получится весьма большой. Только тогда мощность, потребляемая
ею, будет невелика по сравнению с мощностью генератора. Это происходит
потому, что мощность генератора находится в кубической зависимости
от линейного размера системы, а потребляемая обмотками мощность
пропорциональна линейному размеру.
Исходя из соображений, касающихся мощности, потребляемой
магнитной ловушкой, можно считать, что термоядерный генератор должен
быть никак не меньше нескольких метров в диаметре. Только в этом
случае полезная мощность генератора будет больше мощности, потребляемой
магнитной системой.
Однако, если удастся создать громадные сверхпроводящие
обмотки, что весьма реально, КПД генераторов резко возрастет.
Стоимость электроэнергии, получаемой от термоядерных
электростанций, будет очень низкой вследствие дешевизны исходного
сырья (воды). Настанет время, когда электростанции будут вырабатывать
буквально океаны электроэнергии. С помощью этой электроэнергии станет
возможным, быть может, не только кардинально изменить условия жизни
на Земле – повернуть вспять реки, осушить болота, обводнить пустыни,
– но и изменить облик окружающего космического пространства – заселить
и «оживить» Луну, окружить Марс атмосферой.
Л.А. Арцимович писал: «Вряд ли есть какие-либо сомнения
в том, что в конечном счете проблема управляемого синтеза будет
решена. Природа может расположить на пути решения этой проблемы
лишь ограниченное число трудностей, и после того, как человеку,
благодаря непрерывному проявлению творческой активности, удастся
их преодолеть, она уже не в состоянии будет изобрести новые. Неизвестно
лишь, насколько затянется этот процесс...»
Одна из основных трудностей на этом пути – создание
магнитного поля заданной геометрии и величины. Магнитные поля в
современных термоядерных ловушках относительно невелики. Тем не
менее если учесть громадные объемы камер, отсутствие ферромагнитного
сердечника, а также специальные требования к форме магнитного поля,
затрудняющие создание таких систем, то следует признать, что имеющиеся
ловушки – большое техническое достижение.
Последние годы стали временем дальнейшего развития
исследований с помощью токамаков. В СССР, США, Европе, Японии создаются
все новые конструкции, призванные повысить параметры плазмы до значений,
соответствующих термоядерной реакции. К числу наиболее характерных
токамаков, введенных в строй в последние годы, следует отнести Т-15
(СССР), JET (пущен в Англии, но создан совместными трудами ученых
стран СЭВ), TFTR (США), JT-60 (Япония).
Токамак Т-15 интересен сверхпроводящей тороидальной
обмоткой, что является перспективным техническим решением. Токамаки
JET, TFTR, JT-60 также предназначены дать первые нейтроны термоядерной
реакции. Для всех этих конструкций характерны крупные размеры: радиус
камеры в пределах 2,6...3 м и радиус поперечного сечения камеры
0,85...1,25 м. Медные тороидальные обмотки создают круговое магнитное
поле 3,5...5 Тл. Мощность генераторов, питающих эти обмотки во время
режима работы, длящегося несколько секунд, составляет несколько
сотен тысяч киловатт.
Специалисты СССР, США, Японии и европейских стран
провели проектную проработку интернационального токамака-реактора
– ИНТОР. Согласно проекту, опытный реактор содержит тороидальную
камеру радиусом 5,2 и 1,4 м. В этом «бублике» объемом 320 м3 горит
плазма плотностью 1,4 1014 част./см3 с температурой 100 млн. градусов,
«зажигаемая» током 6,4 млн. А, который наводится от индуктора, расположенного
в центре камеры.
Стенка из нержавеющей стали охлаждается водой, за
стенкой размещен «бланкет» толщиной полметра, в котором за год вырабатывается
7 кг трития. Магнитная система, колпаком укрывающая камеру, выполнена
из медненных сверхпроводящих лент ниобия с оловом и ниобия с титаном.
Она создает поле на обмотках 11,6 и 8 Тл, а в центре рабочей камеры
– 5,5 Тл. В магнитном поле запасена энергия, равная 10 тыс. кВт-ч.
В проекте предусмотрено выделение 620 тыс. кВт термоядерной
энергии в течение 200 с, импульсные нагрузки оборудования будут
покрываться из электросети и от генератора мощностью 1 млн. кВт.
Токамак типа «Интор» еще не может быть динамически выгодным источником
энергии, он станет прообразом будущего реактора термоядерной электростанции.
На программу токамаков делается сегодня главная
ставка, но не следует забывать, что ведутся исследования по другим
вариантам термоядерных реакторов. Весьма перспективна дочерняя ветвь
токамаков – открытые магнитные ловушки. Здесь результаты не так
высоки, но еще далеко не все резервы исчерпаны.
Нет сомнений в том, что мы живем в преддверии энергетического
господства ядерных реакторов синтеза. Из многих альтернативных конструкций
наверняка удастся выбрать что-то подходящее. Конечно, «чистые» реакторы-синтезаторы,
производящие электричество из водорода, появятся не сразу. Сначала
термоядерные реакторы, видимо, будут помогать обогащать уран на
нынешних АЭС. Со временем энергия нейтронов синтеза частично пойдет
на осуществление своего электрогенераторного цикла. И уж тогда-то
можно будет начать постепенный демонтаж урановых котлов.
Другие страницы из книги "Магнит за 3 тысячелетия". Автор В. Карцев
Геркулесов камень
Рукотворные магниты
Гильберт разъединяет
Франклин, Ломоносов, Араго изучают...
Эрстед объединяет
Железо обзаводится «помощником»
Капица: «краткость – сестра успеха?»
Биттер: «секрет – в охлаждении»
Оннес: «дальше охлаждать некуда!»
Потребители просыпаются
Сортировщики микрочастиц
ЭПР
Пирамиды ядерного века
Плазма в магнитной рубашке
Энергетика 21 века
Послесловие
