Юрий Новиков - Экология, окружающая среда и человек

Плазма — это частично или полностью ионизованный газ. Заряженные частицы плазмы (особенно электроны) легко группируются при случайных колебаниях электрического поля, усиливают его. Такого рода коллективное взаимодействие, характерное для плазмы, может приводить как к нежелательным, так и к полезным эффектам. Это относится к высокотемпературной водородной плазме, источнику энергии будущего магнитного термоядерного реактора. Благодаря магнитной термоизоляции плазмы, а эту идею предложил академик Андрей Сахаров, при ее нагреве создается перепад температуры от звездной в сердцевине плазмы до такой, которую способны выдержать конструкционные элементы реактора.

Токамак (от тороидальная камера с магнитными катушками) — развитие идеи Сахарова. В конце 60-х годов в Курчатовском институте на токамаке удалось добиться прорыва к высокой температуре в 10 млн градусов, что лишь в десять раз меньше, чем требуется для реактора. Теперь эта система стала главной для изучения высокотемпературной плазмы во всем мире. На самых крупных токама-ках JET (общеевропейский тор) в Великобритании и JT — 60U в Японии (оба с 3-метровым радиусом круговой оси тороидальной камеры; D-образное сечение плазмы в установке JET имеет размеры примерно 2, 3, 5 м) получают плазму с параметрами, близкими к необходимым для реактора, т. е. с температурой около 100 млн градусов. Сегодня нет никаких сомнений в осуществимости управляемой термоядерной реакции в плазме токамака, а также и в более сложных, винтовых системах (стеллараторах), не требующих возбуждения в плазме электрического тока мегаамперных масштабов. Токамак положен в основу проекта международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. Он в два раза превосходит JET по габаритам.

Масштабные исследования по управляемому синтезу во многом способствовали возникновению идей технических и технологических применений низкотемпературной плазмы газовых разрядов. Плазменные магнитогидродинамические генераторы электрического тока, импульсные и стационарные плазменные двигатели для космических аппаратов, газовые лазеры, генераторы СВЧ-из-лучения — вот далеко не полный перечень областей, где используется плазма и исследуется физика процессов в плазме.

Присутствие примесей в плазме токамака — вот одна из причин, почему до сих пор не удалось осуществить управляемый термоядерный синтез. Уравнения движения ионов примеси настолько сложны, что до сих пор не удавалось их решить. И только недавно петербургские ученые вычислили, как будут двигаться эти ионы,

В Санкт-Петербурге в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН осуществлен пуск сферического токамака «Глобус-М». Это современный исследовательский комплекс, предназначенный для изучения поведения плазмы не в реакторном режиме, а в лабораторных условиях. При его проектировании и создании были использованы новейшие отечественные и зарубежные достижения науки. Программой предусмотрено проведение исследований водородной плазмы при нагреве ее примерно до 10 млн градусов с помощью тока, протекающего по шнуру, и методами радиочастотного нагрева. Ученые считают, что полученные данные позволят не только существенно улучшить понимание фундаментальных процессов в плазме томака, но и в целом оценить перспективность применения сферических токамаков. Эксперименты на томаке «Глобус-М» прояснят многие вопросы, связанные с физикой нагрева, удержания и устойчивости плазмы.

В физико-энергетическом институте (Обнинск) создана мощнейшая лазерная установка с ядерной накачкой энергии — ОКУЯН (оптический квантовый усилитель с ядерной начинкой). В импульсе за 40—100 млн долей секунды на этой установке рождается энергия, сравнимая с той, что может за это короткое время дать вся мировая ядерная энергетика. В установке ОКУЯН энергия ядерного распада сразу превращается в свет, и благодаря этому можно создать мощный лазерный луч в компактной установке.

Самая мощная лазерная установка в мире действует в Ливер-морской лаборатории США, где в одной точке фокусируются 12 лазерных лучей, чтобы таким образом создать мощный энергетический сгусток. «Стреляет» эта установка всего один раз в месяц, так как выключается свет по всей Калифорнии — такая огромная нагрузка развивается для всей энергосистемы.

Российский ОКУЯН способен создавать в импульсе аналогичную энергию в одном лазерном луче. Занимает он небольшой зал лабораторного корпуса. А главное — это установка с коэффициентом полезного действия в несколько раз выше, чем у Ливер-морской.

Японские ученые проводят исследования по созданию мини-термоядерного реактора. Основным материалом в их экспериментах служит водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Они довели скорость слияния атомов водорода до 500 тыс. единиц в секунду при температуре, близкой к абсолютному нулю (—273°). В отличие от прежних разработок, основанных на химической природе этой реакции, японские ученые используют новейшие достижения атомной физики. В процессе реакции им удалось создать элементарную частицу — муон, которая при низкой температуре может сжижать атомы водорода до такой степени, что их ядра начинают сливаться. В случае успеха этих работ человечество получит в свое распоряжение практически неисчерпаемый источник дешевой и безопасной энергии. По мнению японских ученых, решение энергетической проблемы уже близко, а завершение основного этапа разработок можно ожидать в ближайшие 4—5 лет.

Коренным переломом в исследованиях должен стать момент, когда «холодный» синтез атомов водорода удастся превратить в постоянный процесс, дающий больше энергии, чем затрачивается на него. Теоретически 10 г дейтерия (тяжелого водорода) и 15 г трития могут дать достаточно энергии, чтобы удовлетворить нужды населения планеты в электричестве примерно на столетие.

В международном проекте ИТЭР участвуют Европейский союз, Япония, Канада, Южная Корея, Китай, а также США и Россия. Планируется создать экспериментальный (иногда говорят—демонстрационный) термоядерный реактор, который призван открыть дорогу принципиально новой энергетике с неисчерпаемыми ресурсами.

В 2004 г. возникли трудности с определением места строительства: в Рокасе, в префектуре Аомори в Японии или в Кадараше — примерно в 200 км от Марселя во Франции. Кадараш — это сформировавшийся ядерный центр с высококвалифицированным персоналом и уникальной инфраструктурой. На этой площадке в свое время был создан и функционирует токамак со сверхпроводящими обмотками, по сути, прообраз той установки, которую предполагается создать. Таким образом, существует почти все, для того чтобы развернуть столь масштабный проект, каким является ИТЭР.