Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

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