Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Реакция синтеза дейтрона и тритона приводит к высвобождению колоссальной энергии. Происходит термоядерный взрыв, который сразу же уничтожает все живое на огромной площади, многократно превосходящей площади самых больших городов планеты. Одной-единственной бомбы средней мощности вполне достаточно для полного превращения в руины таких гигантских мегаполисов, как Нью-Йорк или Токио.

Но человечеству требуется не разрушительная, а созидательная энергия, которая будет давать электрический ток в дома и на заводы, двигать сверхскоростные поезда и космические корабли. Взрыв водородной бомбы является неуправляемой термоядерной реакцией, точно так же как взрыв обычной атомной бомбы является неуправляемой реакцией атомного деления. Человеку же требуется управляемый синтез легких ядер.

Единственным препятствием для ученых на пути осуществления контролируемой реакции синтеза остается высокая температура «зажигания» горючего. В недрах звезд температура достигает 15 млн °С. Предполагается, что космические светила зажглись при температурах свыше 50 млн °С. Оптимальная же температура для проведения термоядерных процессов с точки зрения энергетики равна 100 млн °С. Именно до такой степени требуется нагреть смесь дейтерия и трития, чтобы с высокой эффективностью извлекать из начавшейся реакции тепловую энергию. Продуктами этой реакции являются ядра гелия и свободные нейтроны. Последними можно облучать литий для возобновления запасов трития. Что касается дейтерия, то его возобновлять необязательно, т. к. в природе он встречается в достаточном количестве (например, в морской воде на 6000 атомов обычного водорода приходится 1 атом дейтерия).

Однако управляемая реакция подразумевает не только высокие температуры, но и удержание раскаленного вещества и беспрепятственное получение полезной энергии. В противном случае окажется, что установка поглощает гораздо больше энергии, чем выделяет. Любое вещество при температурах в несколько миллионов градусов переходит в плазменное состояние. Удержать его от немедленного рассеяния можно в магнитных полях. При этом необходимо изолировать плазму от внешней среды во избежание теплообмена. Физики подсчитали, что если плазма с плотностью 10 14ядер на 1 см 3заметно остудится за 1 с, то полезную энергию получить не удастся.

Однако никакая теплоизоляция не поможет сохранять температуру плазмы приближенно постоянной. Плазма непременно прожжет изоляционное вещество и вырвется наружу. Наиболее активные частицы обязательно покинут магнитное поле. Скорость водорода внутри ионного газа плазмы при необходимой температуре равняется 1000 км/с. Следовательно, требуется удерживать плазму каким-то совершенно особым способом, создав для нее как бы магнитную ловушку. Впервые общая идея магнитной ловушки была сформулирована в конце 1940-х гг. отечественными физиками И. Е. Таммом, А. Д. Сахаровым и O. А. Лаврентьевым. Почти одновременно к сходным выводам пришел американский физик Л. Спитцер.

С 1950 г. начались активные работы по проектированию устройства, технически воплощавшего магнитную ловушку. Первоначальной моделью такого устройства был прямотрон.

Ему присвоили такое название потому, что он представлял собой прямую трубу (прямолинейную ловушку), в которой должны были разгоняться частицы. Конструкция прямотрона была несовершенной, т. к. длина такой трубы должна была равняться нескольким десяткам километров. Гораздо перспективнее оказался проект прямолинейной ловушки с магнитными «пробками» на концах. Они должны были отражать поток частиц плазмы, отбрасывая их в противоположную сторону. Длина «пробкотрона» составила бы менее 100 м.

После того как была отвергнута и конструкция «пробкотрона», физики разработали замкнутую ловушку со сведенными вместе концами. Получился ускоритель-тороид, в котором плазма могла бесконечно долго разгоняться, двигаясь по кругу. Проблема удержания быстрых частиц была решена на основе работ И. Е. Тамма по теории электромагнитного поля. Чтобы частицы не смещались в замкнутом тороидальном магнитном поле, необходимо завить его силовые линии в спираль. Для этого требуется пропустить друг через друга два тока. Первый будет создавать магнитные силовые линии в форме окружностей, тогда как второй потечет по новым силовым линиям. В результате оба тока будут генерировать общее магнитное поле с силовыми линиями, закрученными спирально. Частицы плазмы внутри тороида будут двигаться не только вдоль замкнутых линий тороидального поля, но и описывать вокруг них спираль.

В 1954 г. под руководством И. Е. Тамма была создана первая тороидальная электромагнитная ловушка для плазмы, получившая название «ТОКАМАК». Ее название представляет собой аббревиатуру, которая расшифровывается как «Тороидальная КАмера с МАгнитными Катушками». В названии подчеркнуто, что главным элементом конструкции являются катушки, создающие мощное, в несколько Тл (тесла), магнитное поле. За последующие годы ученым удалось построить еще несколько установок подобного типа, которые также были названы Токамаками.

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 в вакууме и придают ему форму, которая не дает шнуру касаться стенок.

Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры не более 10 млн °С, для получения большей температуры необходимо применить 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, будет касаться стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения (инжекции) в камеру пучков быстрых атомов.

В современных Токамаках удалось получить температуру плазменного шнура около 200 млн °С. Этого более чем достаточно для проведения термоядерных реакций. Однако Токамак нельзя считать энергетической установкой. Он не вырабатывает энергию, а служит для проведения опытов и научных исследований. Это устройство является одним из сложнейших инструментов физиков. Работа на Токамаке напоминает генеральную репетицию перед выступлением — созданием энергетики синтеза.