Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
Даже переход на все более трудноразрабатываемые месторождения, что со временем
неизбежно, атомная энергетика в состоянии перенести безболезненно. Хотя уран
подорожает, стоимость топлива скажется только на пятой части затрат, нужных для
производства электроэнергии на АЭС.
Весьма привлекательные перспективы связаны не с делением ядер, а с их синтезом.
Если сольются два легких ядра, то при этом выделится гораздо больше энергии, чем
при делении тяжелого ядра. Энергоресурсы для синтеза ядер много доступнее: из
дейтерия, содержащегося в 1 л воды, можно получить столько же энергии, сколько
из 350 л бензина, так что четыре земных океана равноценны 1400 океанам
бензиновым! Даже при стократном росте потребления этих запасов хватит на
миллиарды лет.
Технология ядерного синтеза несложна. Ядра дейтерия и трития — изотопов
водорода, составлены из протона плюс один или два нейтрона. Если эти ядра
сольются, то возникнут новое летящее ядро гелия (оно несет пятую часть энергии
синтеза) и осколок — свободный нейтрон (четыре пятых энергии). Отобрать энергию
реакции можно нагревом воды.
Чтобы воплотить в жизнь эту очередность действий, нужно сначала решить простую
задачу: как сблизить ядра, ведь они расталкиваются электрическими силами?
Выяснилось, что подвести ядра вплотную друг к другу можно тремя способами.
Инерцией, например. Если ядро-снаряд сильно разогнать, то при большой скорости
оно проскочит в мертвую зону около ядра-мишени, где ядерное притяжение уже в
сотни раз сильнее электрического отталкивания. А разогнать ядро можно на
ускорителе (это пока экономически невыгодно) или нагревом газа (потому и
называется синтез термоядерным).
Второй способ сближения — сжать смесь нужных атомов какими-то сторонними силами,
очистив ядра от электронной "скорлупы". Этот способ оказался вполне приемлемым.
И еще одно предложение: погасить расталкивание особым ядерным "клеем" из мюонов
— элементарных частиц.
Еще в середине века ученые отважно взялись за решение проблемы "термояда", хотя
кое-что оставалось неизвестным. Какова же природа ядерных сил? Почему они в
миллионы раз интенсивнее химических сил? Отчего эти силы действуют только вблизи
ядер, зависят от их ориентации и скорости, а вне ядра быстро исчезают?
За последние тридцать лет появились (но пока только в лабораторном исполнении
или только в мыслях, уже подкрепленных расчетами и опытами) три класса
гипотетических конструкций ядерных реакторов синтеза будущего.
Весьма перспективными оказались лазерные реакторы. Под руководством академика
Н.Г.Басова в Физическом институте АН СССР уже построены гигантские модели,
напоминающие сказочных спрутов. Стеклянные шарики с газовой начинкой
расстреливаются сотнями лазерных вспышек, с разных сторон согласованно бьющих в
одну цель. Горящие мишени сжимаются расширяющимся газом, плазма начинает
рассеиваться, но за миллиардные доли секунды часть ядер успевает слиться. Пока
что показатели таких пушек почти рекордны: температура плазмы уже достигла
нужных 100 млн. градусов, но плотность ее надо поднять еще раз в пятьдесят.
Самое заслуженное и, видимо, наиболее перспективное направление разработок,
родившееся в Институте атомной энергии имени И.В.Курчатова, — токамаки. (Это
название образовано из слов ТОк, КАмера, МАгнитные Катушки. Другая расшифровка:
Тороидальная КАМера с АКсиальным магнитным полем.) В тороидальной камере газ
греется, а плазму от соприкосновения со стенками удерживают огромные магнитные
поля. На токамаках удалось нагреть плазму до 250 млн. градусов, но плотность или
время удержания ее надо бы увеличить раз в десять.
Какой сосуд выдержит такую высокую температуру? Прикоснувшись к стенкам сосуда,
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.
