Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

И все-таки ученые нашли способы определения числа частиц в камере и измерения их температуры. Оказалось, что температура ионов в Токамаке-3 достигала 400 электрон-вольт (то есть почти 5 миллионов градусов), а электронов — 1000 электрон-вольт. (Эти результаты были подтверждены и в совместном эксперименте английских и советских физиков, в котором с помощью лазеров одновременно измерялась температура электронов и концентрация этих частиц в Токамаке.) При такой температуре некоторая часть ядер дейтерия уже имела энергию, которая давала им возможность вступать в реакцию термоядерного синтеза.

На установке Токамак-3 ученые впервые зарегистрировали длительное термоядерное нейтронное излучение устойчивого плазменного витка. В устройстве, созданном руками человека, затеплился настоящий термоядерный огонек. Плазму такого качества не получали еще ни в какой другой плазменной установке замкнутого типа.

Работа с плазмой напоминает работу терпеливого мастера над каменным кружевом. Изо дня в день искусный резчик по камню добавляет все новые и новые детали. Изо дня в день ученые все улучшают параметры плазмы.

Исследования на Токамаках начались с температуры плазмы около 100 тысяч градусов и с величины главного параметра плазмы — nτ (произведения плотности плазмы на время ее удержания) — около 10 7. К концу 60-х годов ученым удалось поднять температуру до 5 миллионов градусов, а nτ увеличить в 10 тысяч раз.

О результатах, достигнутых на Токамаке-3, Л. Арцимович рассказывал на III Международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Его сообщение вызвало огромный интерес в научном мире. Неожиданно для многих Токамаки опередили все другие плазменные установки и оказались наиболее перспективными. В июне 1969 года Комиссия по атомной энергии США одобрила план создания плазменных установок типа Токамак в лабораториях в Окридже и Принстоне. Сейчас в лабораториях мира действует или строится более 30 крупных Токамаков. Восемь установок находится в Советском Союзе, остальные в США, Англии, Франции, Италии, ФРГ, Австралии, Японии, КНР.

Но цель, которая по-прежнему стоит перед учеными, можно будет считать достигнутой лишь тогда, когда заработает первый промышленный термоядерный реактор.

Останутся ли справедливыми для термоядерных реакторов синтеза выводы, полученные в опытах на сегодняшних Токамаках, работающих пока лишь на физическом термоядерном уровне (реакция идет без получения выигрыша в энергии), — вот что беспокоит физиков, работающих с горячей плазмой. Но решится это только после тщательного исследования плазмы в новых, более мощных установках. Одна из них, Токамак-10, недавно запущена в Советском Союзе.

Руководитель советской термоядерной программы академик Е. Велихов сказал: «Мы должны научиться нагревать плазму до 100 миллионов градусов (сейчас пока пройден десятимиллионный рубеж). Другое условие — плотность плазмы должна быть не менее 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре, то есть вдвое больше той, что мы сейчас получаем. И самое основное — время удержания плазмы: на Токамаке-10 оно равно 0,01–0,02 секунды, а для полномасштабной термоядерной реакции требуется секунда».

Плотность плазмы в Токамаке-10 будет такой же, как в будущем энергетическом реакторе. Параметр же nτ достигнет только величины 10 13, которая в 10–30 раз меньше, чем должна быть в энергетическом реакторе.

Советские ученые создали проект первого демонстрационного реактора с большим диаметром тороидальной камеры, равным 5 метрам, который получил название Токамак-20. В этом, по-видимому последнем, лабораторном прототипе промышленного термоядерного реактора плазма будет нагреваться до 70–100 миллионов градусов.

Параметры и режим работы этой установки уже позволят получить столько энергии от термоядерной реакции, сколько ее будет затрачено на нагрев и удержание плазмы.

С помощью Токамака-20 предстоит решить очень важные физические и технические проблемы. Например, необходимо выяснить, не произойдет ли резкого ухудшения термоизоляции плазмы при температуре около 100 миллионов градусов; необходимо найти новые, более эффективные методы нагрева плазмы.

Если удастся решить все эти сложные задачи, то на принципе Токамаков можно будет создать энергетический термоядерный реактор — электростанцию.

— Если так трудно удерживать разреженную плазму длительное время, то нельзя ли быстро «сжигать» термоядерное топливо, как это происходит при взрыве водородной бомбы?

— В этом случае может разрушиться установка. Ученые нашли более мирный путь, попробовали взрывать маленькие порции ядерного топлива с помощью мощной вспышки когерентного, лазерного света.

Нет сомнений в том, что «эра синтеза» сменит «эру деления», как только завершится успехом борьба ученых за управляемую термоядерную реакцию. За последние 10 лет выросло и оформилось новое направление, по которому пошли ученые, пытающиеся «приручить» термоядерный огонь. Вскоре после создания оптических лазеров, с помощью которых можно было сосредоточить огромную энергию в небольшой области пространства, возникла идея быстрого зажигания термоядерной реакции синтеза короткими импульсами света лазеров.

Этот путь в принципе ведет к созданию термоядерных реакторов с импульсным режимом работы. Если в Токамаках — установках непрерывного действия — ученые добиваются увеличения времени жизни плазмы, то у специализирующихся во втором направлении совсем иные заботы.

В импульсной термоядерной системе энергия из каждой порции плазмы извлекается за столь короткое время, что отпадает необходимость бороться с ее неустойчивостью. Физики-лазерщики согласны с О. Уайлдом, который сказал, что «лучший способ избавиться от искушения — это поддаться ему». Они не тратят времени на укрощение плазмы и не пытаются переделать ее природу.

Но предоставленная самой себе плазма жила короткий миг, за который надо успеть поднять ее температуру до 100 миллионов градусов. Это первое неудобство.

Во-вторых, надо как-то поддерживать на необходимом уровне значение параметра плазмы nτ, которое катастрофически быстро снизилось из-за резкого уменьшения τ до 10 –9секунды.

Поддавшись искушению — дав плазме полную свободу, физики вынуждены были подтягивать как можно выше второй множитель в главном показателе качества плазмы — плотность.

Величина выделяющейся термоядерной энергии при nτ = 10 14совпадала бы с затратами на нагрев плазмы. Выигрыш в энергии хотя бы в десять раз можно было получить, если еще в десять раз увеличить число частиц в плазме.