Александр Проценко - Энергия будущего
Второй путь — усиление на концах (торцах) камеры магнитного поля. Резкие всплески напряженности этого магнитного поля на торцах как магнитные пробки закроют концы камеры и не пустят или, если быть более точным, почти не выпустят беглецов. Эти магнитные пробки американские ученые назвали магнитными зеркалами.
Так был преодолен еще один рубеж, позади осталась еще одна трудность. Но, как это часто бывает, сразу же появилась новая Оказывается, частицы плазмы могут все же перемещаться не только вдоль линий магнитного поля, но и, к сожалению, поперек их.
Хотя они в основном и «привязаны» к магнитным силовым линиям, тем не менее могут переходить от одной из них к другой, перемещаясь постепенно к границе плазмы — к стенкам камеры. А происходит это по разным причинам: при столкновении частиц одна из них может перескочить со своей спирали на соседнюю и передвинуться так поближе к стенке камеры. Есть и еще одна причина: в неоднородном магнитном поле (а в тороидальной установке магнитные силовые линии гуще с внутренней стороны баранки и реже с внешней) происходит разделение электрических зарядов. Под действием возникающего электрического поля плазма медленно движется (дрейфует) в направлении, перпендикулярном магнитному полю и в конце концов соприкасается со стенками камеры. Найдены эффективные методы борьбы и против такого явления.
Для проверки теоретических представлений о поведении плазмы в магнитных полях в СССР, США, ФРГ, Англии, Франции и Италии создана целая серия различных экспериментальных установок. Невозможно даже бегло рассмотреть их все. Но с отдельными познакомиться полезно.
Токамаки, стеллараторы и другие
Больше всего собралось различных установок по изучению УТС в Институте атомной энергии. Если с площади И. Курчатова посетитель пройдет на территорию института, то окажется в большом сосновом бору.
Одна из дорог приведет к домику И. Курчатова — «хижине лесника», а в 200 метрах он увидит здание первого в Европе реактора Ф-1, пущенного в 1946 году.
О нем и шла раньше речь. Если пройти еще 200–300 метров, взору откроется постройка, на фронтоне которой эмблема — рука, держащая солнце. В ней и расположена одна из первых, наиболее крупных термоядерных установок с магнитными зеркалами — ОГРА, разработанная коллективом под руководством советского физика И. Головина. Каков же принцип ее устройства?
В прямой трубе (ее диаметр полтора метра, а длина около 10) создано продольное — постоянное во времени магнитное поле. Для разогрева плазмы в трубу-камеру с помощью специального устройства впрыскиваются ионы молекулярного водорода с энергией, которой соответствовала бы температура в камере около 900 миллионов градусов. Казалось бы, температура более чем достаточная! Однако плотность частиц в камере оказывается очень низкой — в 10 миллионов раз меньше, чем нужно, и столкновения частиц здесь происходят очень редко — термоядерная реакция не развивается.
Многое в этой установке, да и в ее модификации ОГРА-П не удовлетворяло ученых. Тем не менее они шаг за шагом двигались к пониманию тайн плазмы.
Создатели ОГРА, самой крупной в те времена установки, наперед знали, что на полный успех им рассчитывать не стоит. Но жизнь требовала строить и испытывать подобные установки, изучать свои ошибки и идти вперед. «Не делая этого, — писал И. Курчатов, — мы напоминали бы, пользуясь образным сравнением Гегеля, того софиста, который утверждал, что он не войдет в воду, пока не научится плавать».
Примерно таким же путем двигались американские и английские ученые, создавшие несколько установок с магнитными зеркалами — ДСХ, Алиса, Феникс. Несмотря на то, что до сих пор введено и исследовано несколько десятков установок подобного типа, еще не удается достигнуть нужных параметров плазмы. Сейчас ближе других к цели продвинулись установки типа Токамак.
Первые их успехи и международное признание пришли, пожалуй, в 1969 году. Тогда в Институт атомной энергии для совместной работы на советской установке Токамак-3 приехали английские ученые. Вот что писала о результатах этой работы парижская газета «Интернэйшнл геральд трибюн»:
«Английские ученые с помощью доставленного в Москву оборудования, весящего пять тонн, проверили сообщение советских специалистов, встреченное на Западе с недоверием, и установили, что русские недооценили свой успех в попытке обуздать „энергию водородной бомбы“. Они наглядно доказали, что советская установка, известная под названием „Токамак-3“, вырабатывает „нагретый газ“, или плазму, которая даже больше отвечает необходимым условиям, чем об этом сообщали русские…»
Чтобы познакомиться с такой установкой, пройдем дальше по территории института. Через несколько минут остановимся у здания с надписью: «Отделение физики плазмы». Рядом с ним большая электрическая подстанция, способная снабжать энергией солидное промышленное предприятие. Здесь она для Токамака.
Да! Сегодняшний физический (заметьте, только физический, а не промышленный и даже не опытно-промышленный) эксперимент по термоядерному синтезу требует для своего проведения больших и сложных установок и огромного количества энергии. Эксперименты стали масштабными и, к сожалению, дорогими.
Откроем дверь в зал: здесь расположена одна из самых современных мощных термоядерных установок — Токамак-10. С галереи зала хорошо видна ее основная часть: внушительный «бублик» диаметром 3 метра является вторичной обмоткой огромного трансформатора.
При пропускании тока через первичную обмотку трансформатора внутри бублика начинается разогрев плазмы. Кроме того, и бублик имеет свои обмотки, создающие в нем продольное магнитное поле.
Под Токамаком еще один зал, невидимый с галереи.
В нем различные вспомогательные системы и оборудование для регулирования и управления токами обмоток, а также вакуумные насосы… В соседнем зале пульты управления экспериментаторов и измерительные приборы. Сейчас основные эксперименты на Т-10, так в ИАЭ называют эту установку, закончены. Взамен нее на том же месте должна быть создана новая — Т-15, с более высокими параметрами плазмы.
Чего же достигли экспериментаторы и теоретики на установке Т-10? Насколько близко подошли они к заветной цели — управляемой термоядерной реакции?
Чем измерить степень этого приближения? Да и существует ли такой критерий, пользуясь которым можно было бы оценить, сколько еще осталось пройти до момента, когда будет продемонстрирована термоядерная реакция, дающая полезную энергию?
Конечно, в общем случае такого критерия, определяющего, насколько та или иная экспериментальная установка близка к промышленному реактору, в котором идет реакция синтеза, не существует, хотя критерий, носящий частный характер, есть. Он определяет, насколько параметры физических процессов, происходящих в установке, близки к тем, которых нужно достигнуть.
Вот как он формулируется: «Для того чтобы энергия, выделяемая в процессе термоядерной реакции, была больше, чем энергия, затраченная на инициирование этой реакции, необходимо, чтобы произведение плотности плазмы на время ее удержания было не меньшим, 1014».
Смысл его, как видите, достаточно ясен. Чем больше плотность плазмы, тем больше актов слияния ядер дейтерия и трития происходит в единице объема плазмы и тем больше выделяется энергии. Если плотность частиц в плазме очень большая, то выделяемая энергия с избытком покроет затраты на осуществление реакции даже в том случае, если утечка энергии из объема плазмы будет велика, то есть если время удержания плазмы малое.
Другой сомножитель характеризует степень совершенства методов и устройств, использованных для удержания энергии плазмы в объеме. Численно он равен времени, в течение которого вся энергия, запасенная в плазме (конечно, без учета энергии нейтронов), уйдет из ее объема. Если этот показатель велик и энергия из объема плазмы почти не теряется, то даже при малой величине энерговыделения, то есть малой плотности плазмы, этой энергии будет достаточно для поддержания необходимой температуры плазмы в 100–150 миллионов градусов. Очевидно, чтобы термоядерная установка служила для производства полезной энергии, в объеме ее плазмы должно «вырабатываться» энергии в 4–5 раз больше потерь и затрат. В этом случае критерий Лоусона должен быть равен, скажем, 5*10^14. Так чего же достигли термоядерщики в своих установках?
За годы, прошедшие с дней первых экспериментов, почти в каждой новой установке типа Токамак удавалось повысить температуру плазмы. Сейчас она уже около 60 миллионов градусов.
Каждая новая установка была и новым шагом в познании тайн плазмы, и шагом по пути достижения критерия Лоусона. Сначала 10^10, затем рост в 10 раз, затем еще в 10, и вот уже получена величина 2*10^13.
