Антон Первушин - Кто угрожает России? Вызовы будущего

Параллельно с советскими учеными американский физик Лайман Спитцер предложил более сложную конструкцию магнитного реактора, который он назвал стелларатором. Первые эксперименты со стеллараторами оказались неудачными, но сегодня с этими системами работают в США, Японии и ФРГ. Примерно тогда же английские и американские физики начали эксперименты с магнитным удержанием газовых разрядов в трубках-бубликах. Позднее были предложены и другие типы магнитных ловушек для плазмы. Однако время показало, что наиболее перспективной является схема Сахарова-Тамма. Именно на ее основе были созданы многочисленные реакторы-токамаки.

Считается, что термин «ТОКАМАК» возник как аббревиатура фразы «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками», однако на самом деле это всего лишь удобная расшифровка уже имевшегося названия.

Основные работы над термоядерными реакторами велись в Институте атомной энергии, который в 1950-е годы «маскировался» под вывеской Лаборатории измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН). Реакторами занималось особое подразделение – Бюро электрических приборов (БЭП), для которого построили отдельный дом рядом со зданием Отдела электроаппаратуры, где под руководством Арцимовича группа физиков занималась электромагнитным разделением радиоактивных изотопов. В феврале 1953 года там состоялся семинар, на котором обсуждали доклад о разработке магнитного термоядерного реактора, подготовленный техническими руководителями проекта Николаем Явлинским и Игорем Головиным. Именно на этом семинаре будущая установка впервые была названа токамаком. Головин тогда сказал, что это просто сокращение от слов «тока максимум». Авторы доклада полагали, что сила тока в тороидальных разрядах намного превысит силу тока в прямолинейных трубках, отсюда и появилось название аппарата. Со временем эта гипотеза была опровергнута, а вот термин «токамак» остался и со временем сделался международным.

Главным элементом конструкции токамака являются катушки, создающие мощное магнитное поле. Эти катушки напоминают гигантские трансформаторы. Рабочая камера токамака заполняется газом, а в катушках возбуждается магнитное поле. В результате пробоя под действием вихревого поля происходит усиленная ионизация газа в камере, отчего тот превращается в плазму. Возникает плазменный шнур, движущийся вдоль тороидальной камеры и разогреваемый продольным электрическим током. Магнитные поля катушек и плазмы удерживают шнур в равновесии и придают ему форму, которая не дает шнуру коснуться стенок и прожечь их.

Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры порядка 10 миллионов градусов, для получения большей температуры используются другие методы. Кроме того, постоянно нагревать плазму током опасно, поскольку он создает собственное магнитное поле, – если оно превысит по силе поле катушек, то скорость движения плазменного шнура сильно увеличится, и он, прорывая теплоизоляцию, коснется стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения в камеру пучков быстрых атомов.

Основные вехи овладения мирным термоядом таковы. В 1954 году сотрудники БЭП приступили к испытаниям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала прообразом будущих токамаков. В конце 1960-х на советском токамаке Т-3А была получена плазма с температурой электронов в 20 миллионов градусов, а ионов – в 4 миллиона и впервые зарегистрировано устойчивое термоядерное излучение плазменного шнура. Через 10 лет принстонский токамак RLT нагрел ионы в плазме примерно до 80 миллионов градусов. В 1995 году на другом американском токамаке TFTR температура ионов была доведена до 510 миллионов градусов; позднее этот рекорд превзошел японский токамак JT-10, который разогрел ионы до 520 миллионов градусов.

Однако разогрев до солнечных температур – это самое начало пути. Токамак не является энергетической установкой – наоборот, он жрет энергию, ничего не давая взамен. Термоядерная электростанция должна строиться на иных принципах.

Прежде всего физики определились с топливом для термояда. Хотя принято писать о термоядерной энергетике как о «солнечной», эта метафора не вполне уместна. Основой внутрисолнечного термоядерного синтеза является так называемый водородный цикл, в ходе которого четыре протона превращаются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Этот цикл включает в себя несколько ядерных реакций, скорости которых зависят от температуры и плотности солнечных недр. Первая из них – превращение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем требует примерно 14 миллиардов лет (что сопоставимо с возрастом нашей Вселенной). Конечно же, некоторым протонам удается встретиться и объединиться и за меньшее время – ведь будь иначе, термоядерная печь в центре газопылевой туманности, которая 4,5 миллиарда лет назад дала начало нашему Солнцу, не зажглась бы и до сих пор. Однако из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мала. Звучит парадоксально, но один грамм солнечной материи выделяет меньше тепла, чем грамм человеческого тела! Исполинская мощность излучения Солнца объясняется его гигантской массой, но в качестве источника энергии для электростанций водородный цикл явно не подходит.

К счастью, он не единственно возможный – существуют и другие варианты. Почти идеальной для энергетического реактора является реакция на основе слияния ядер изотопов водорода – дейтерия и трития (D + Т), в результате чего образуется ядро гелия-4 и нейтрон. Энерговыделение этой реакции меньше, чем в водородном цикле, зато счет времени идет лишь на секунды, посему такой синтез вполне устраивает конструкторов термоядерных реакторов. Источником дейтерия послужит обычная вода (примерно в одной из каждых 3350 молекул воды один из атомов водорода замещен дейтерием), а тритий будут получать из облученного нейтронами лития – самого легкого из всех металлов, третьего элемента таблицы Менделеева.

Для преодоления кулоновского отталкивания дейтериево-тритиевую плазму необходимо нагреть как минимум до 100 миллионов градусов. Однако эта температура сама по себе не повлечет за собой самоподдерживающийся термоядерный процесс. В среднем на каждые сто тысяч столкновений ядер дейтерия с ядрами трития приходится лишь один акт образования гелия. Поэтому для запуска реактора плазму следует не только подогреть, но и сильно сжать, увеличив таким образом частоту столкновений и выход гелия. Кроме того, плазму необходимо сохранить в таком состоянии достаточно долго, чтобы успело сгореть заметное количество термоядерного топлива. Понятно, что с позиций инженерного проектирования получается весьма нетривиальная задача.