На пути к управляемой термоядерной реакции
Подавляющая масса вещества в мире испепеляюще горяча. Те десятки градусов в ту или другую сторону от точки таяния льда, в которых мы живем и к которым привыкли – редкое исключение, крошечный уголок природы. Типичная же, наиболее распространенная температура вещества – миллионы, десятки миллионов, даже сотни миллионов градусов. До таких грандиозных температур нагреты звезды. Именно в них сосредоточена львиная доля вещества нашего мира. Солнце раскалено в недрах до 10-13 млн. градусов. В жарких глубинах звезд непрерывно идут превращения атомных ядер, и это сопровождается колоссальным выделением энергии. При столкновении двух ядер водорода, то есть двух протонов получается ядро тяжелого водорода – дейтрон, вылетают прочь отходы реакции – электрон и нейтрино, и освобождается весьма значительная энергия. Каждый возникший дейтрон очень скоро (через 5,7 с) присоединяет к себе еще один протон, превращаясь в ядро легкого гелия и выделяя энергию 5,5 МэВ. Затем, в среднем через миллион лет, ядра легкого гелия сливаются попарно, образуя конечный продукт – ядро обычного гелия. При этом выбрасываются два протона, а энергия выделяется очень значительная – 12,89 МэВ. Подобные ядерные процессы могут происходить лишь при очень высокой температуре и названы они термоядерными. Чем выше температура, тем сложнее и тяжелее синтезирующие ядра, тем больше выделяется энергия.
Разгадав энергетические источники звезд, ученые наметили себе цель: зажечь такой же могучий звездный огонь на Земле! Воссоздать в земной промышленной установке управляемый, послушный человеческой воле термоядерный процесс. Добиться этого, значит получить практически неиссякаемый источник энергии.
Как же решается эта великая проблема? Сейчас главная задача ученых – устроить “звездную спичку”, нагреть вещество до таких сверхвысоких температур, при которых начнется энергетически выгодная термоядерная реакция.
Один из способов получения высокой температуры – сталкивание газовых струй большого давления. Такая система нагрева дает до 10 тысяч градусов. (Рис. 4) В свое время это был рекорд нагрева вещества в лаборатории: температура получалась выше, чем на поверхности Солнца. Но это еще очень далеко до термоядерной температуры, и какими бы мощными ни делали газовые струи, за пределы 10 тысяч градусов не ушли. Система грела окружающую среду, она не была изолирована.
Физики нашли способ надежной теплоизоляции. При температурах 10000 К и выше электроны при столкновениях атомов могут отрываться от атомных оболочек. Смесь ионов и электронов называют плазмой.
Сейчас плазму называют четвертым состоянием вещества, с ней имеют дело те, кто занимается ускорителями, астрофизики и особенно ученые, занимающиеся проблемой освоения термоядерной энергии. Плазма может быть подвержена воздействию электрических и магнитных полей. Это ее свойство и использовали физики.
Из закрытой трубки с электродами в торцах тщательно откачали воздух, ввели в нее разряженный газ, и через газ пропустили сильный электрический разряд. В газе возникло нечто похожее на молнию – разрядный шнур плазмы. Вокруг шнура, как вокруг любого тока, появилось магнитное поле, силовые линии которого можно изобразить в виде колец, охватывающих шнур. (Рис. 4) По мере нарастания тока это поле усиливалось, колечки силовых линий сжимались, сжимая шнур плазмы. Это вело к резкому повышению температуры. В подобных опытах температуру плазмы удалось поднять до 2 млн. градусов. Но и этого мало для термоядерной реакции. К тому же разряды получались практически мгновенными, а шнуры плазмы – неустойчивыми, да и не очень хорошо они были изолированы от стенок трубки: концы шнура непосредственно касались электродов, отводящих тепло.
Тогда родилась другая мысль: приготовить сперва не горячую, а холодную плазму, собрать ее в быструю струю и впрыснуть в магнитное поле особой конфигурации, в так называемую магнитную бутылку. Холодную плазму можно в электрическом поле ускорить, собрать в достаточно быструю струю. Сложнее создать магнитную ловушку. Вот в общих чертах принцип устройства одного из ее видов. Основа – цилиндрический соленоид, витки которого наложены неравномерно: посередине цилиндра – реже, у концов – гуще. Когда по катушке течет ток, внутри нее возникает неравномерное магнитное поле: у концов оно сильнее, чем на середине. Усиленные краевые области этого поля называются магнитными зеркалами или пробками.
В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством академика Л. А. Арцимовича разработана комбинированная магнитная ловушка с более качественной термоизоляции горячей плазмы. Она состоит из двух катушек и прямолинейных токопроводов, расположенных на поверхности вакуумной камеры симметрично продольной оси ловушки. Катушки и прямолинейные токопроводы создают магнитное поле с торцевыми и радиальными магнитными зеркалами соответственно.
В России ведутся теоретические исследования возможности получения стационарной плотной плазмы. Для проверки результатов теоретических исследований построено несколько экспериментальных установок. В одной из них высокотемпературную плазму создают впрыскиванием ускоренных ядер внутрь комбинированной магнитной ловушки. Плотность ядер в плазме доведена до 2 ?1018 ядро/м3, а ее температура – до 40 ?106 К. Время удерживания плазмы в стационарном состоянии пока не превышает 50 мс. Даже такое малое время представляет собой значительное достижение, так как в более ранних экспериментальных установках время удерживания плазмы было в 200 раз меньше. Чтобы возбудить энергетически выгодный термоядерный процесс, ядра в плазме тяжелого водорода плотностью 1020 ядро/м3 предстоит экономно нагреть до 500 миллионов, даже до миллиарда градусов и удержать в течение секунды. При большей плотности плазмы ее температура и время удержания могут быть уменьшены.
Запасы дейтерия в океанах и морях оцениваются в 4 ?1017 кг. Выделение энергии в термоядерных реакциях настолько велико, что для электростанции мощностью 106 кВт потребуется около 4 кг дейтерия в год. Если общая мощность термоядерных электростанций будущего достигнет примерно 1012 кВт, то запасов дейтерия хватит на несколько миллиардов лет. Решение проблемы управляемой термоядерной реакции обеспечит человечество практически неисчерпаемым источником энергии.