В отличие от принципа МГД-генераторов, идее магнитной ловушки не пришлось дожидаться воплощения столь долго. Но и здесь понадобилось четверть века, прежде чем силовые линии магнита смогли замкнуть «звездное вещество». Не слишком ли долгий срок для нашего стремительного века?
Действительно, через 25 лет после того, как возникли первые идеи об удержании плазмы, летом 1975 года в Институте атомной энергии имени Курчатова был осуществлен пуск крупнейшей в мире экспериментальной термоядерной установки «Токамак-10». И теперь, так сказать, задним числом, можно лишь удивляться тому, как много было сделано за столь короткий срок. Ведь не надо забывать, что установка предназначалась для нагрева водорода до такой температуры, которая существует только в недрах Солнца! Это десяток миллионов градусов! И еще требовалось удержать это солнечное вещество, плазму, в течение продолжительного времени.
При таких условиях в газе, состоящем из ядер водорода, начинается термоядерная реакция - слияние легких ядер в более тяжелые, в гелий. При этом выделяется колоссальная энергия. Кстати, в грубом, правда, пересчете, чтобы нагреть, например, один грамм тяжелого водорода, дейтерия, до температуры в один миллион градусов, надо затратить примерно столько же энергии, сколько требуется, чтобы вскипятить ведро воды.
Дело в том, что реакции синтеза могут происходить только тогда, когда два ядра сближаются на дистанцию порядка 10-13 сантиметров. Чтобы произошло сближение, они должны преодолеть электростатическое отталкивание между собой (напомним, что ядра имеют положительный заряд), то есть обладать большой энергией. Естественно, что такой процесс может идти только в веществе, нагретом до чрезвычайно высокой температуры, потому что лишь при достаточно высокой температуре ядра вещества будут обладать большой кинетической энергией и преодолевать электростатическое отталкивание.
Расчеты, основанные на знании процессов взаимодействия ядер между собой, позволяют установить критерии, которые должны быть выдержаны, чтобы можно было построить термоядерный реактор, выделяющий энергии больше, чем ушло на создание магнитных и электрических полей, необходимых для удержания и нагрева плазмы. Здесь есть два основных условия. Одно из них заключается в том, что температура вещества должна превосходить некоторый минимальный уровень. Для оптимального ядерного горючего, каким является смесь дейтерия с тритием, температура должна превышать, грубо говоря, 100 миллионов градусов.
Второе условие требует, чтобы у каждого ядра, находящегося в веществе, была определенная вероятность за время существования в системе вызвать ядерную реакцию. Это означает, что ядро должно встретить на своем пути достаточное количество других ядер. Очевидно, что количество встреченных ядер, с которыми возможно взаимодействие, будет пропорционально концентрации вещества и времени существования ядра.
Таким образом, мы должны создать вещества с очень высокой температурой и добиться того, чтобы каждая горячая, то есть обладающая высокой энергией, частица существовала в нем срок, достаточный для взаимодействия с другими частицами.
При очень высокой температуре любое вещество существует только в виде ионизированного газа, то есть в виде плазмы. Нам нужно создать такую плазму с возможно высокой концентрацией и возможно более длительным временем сохранения в ней быстрых частиц. Сразу же становится очевидным, что это трудная задача, потому, что если разогреть плазму, то ее быстрые частицы будут уносить энергию на стенки того сосуда, внутри которого создается плазма. Для того чтобы решить такую задачу, мы должны каким-то образом суметь удерживать горячие частицы в ограниченном объеме. Поэтому практическое начало работ по термоядерному синтезу совпадает с тем моментом, когда возникли идеи об удержании плазмы.
У истоков этих исследований стояли выдающиеся физики, привлекшие к работе много талантливой молодежи. Первым был академик Игорь Васильевич Курчатов. Присущие ему размах и интуиция во многом определили широкий масштаб термоядерных исследований в СССР.
В нашей стране впервые предложена идея магнитного удержания плазмы.
Если мы поместим плазму в сильное магнитное поле, созданное таким образом, чтобы силовые линии этого поля со всех сторон обволакивали ее, то можем получить клубок горячей плазмы, который будет висеть в вакууме и не взаимодействовать со стенками сосуда.
Вначале все были полны энтузиазма. Однако через несколько лет стало очевидным, что, несмотря на очень простую исходную идею, имеется много подводных камней на пути ее осуществления.
Плазма - это крайне капризная субстанция, которая «очень хорошо себя ведет», пока ее не ограничивают.
После волны энтузиазма поднялась волна резкого пессимизма. Казалось, что на любом пути мы встречаемся с новыми трудностями, которые не позволяют продвигаться дальше. Потом начали появляться ростки оптимизма: были найдены пути борьбы с опасными видами неустойчивости, с плазменными «инфарктами» и «инсультами», как образно окрестил эти неприятности академик Л. А. Арцимович, возглавлявший термоядерные исследования до 1973 года. В этом отношении советские физики имели определенное преимущество, потому что основная идея и первые опыты по борьбе с неустойчивостями плазмы были осуществлены в Советском Союзе.
Рассказ о многочисленных путях, по которым идет решение проблемы термоядерного синтеза, был бы слишком длинным. Перейдем к тому, что есть сегодня. Уже как будто проясняются контуры будущих термоядерных реакторов. «Горение» смеси дейтерия и трития будет, вероятно, протекать либо в форме «медленного пламени» в так называемых стационарных системах, либо в виде повторяющихся взрывов умеренной мощности (импульсные системы). Для осуществления коротких импульсных процессов используются новые способы очень быстрого выделения в малых объемах большого количества энергии. Имеются в виду лазеры, электронные пучки, летящие со скоростью света, способы получения магнитных полей в миллионы гауссов и давлений в миллионы атмосфер. Поиски в этих направлениях интенсивно развиваются. Они весьма перспективны.
Но их пока что опережают попытки создания стационарных (или квазистационарных) условий протекания реакции. Тут наиболее решительные поиски и разработки шли по так называемой программе «Токамак».
Слово это впервые прозвучало со страниц советской печати и ныне стало таким же международным термином, как и «спутник».
- Теперь - да, а поначалу на Западе к советской программе «Токамак» отнеслись с недоверием. Зато теперь работы по этой программе стали одним из главных направлений термоядерных исследований в США, Европе, Японии.
Иначе и быть не могло. Революционная идея магнитной ловушки опрокинула все сомнения. Но для того, чтобы могло забиться «магнитное сердце», понадобилось соответствующее «тело», сложнейший организм «Токамака». Давайте познакомимся с его необычной для земных условий жизнью.
- Установка типа «Токамак» устроена следующим образом. В тороидальной камере (пустом «бублике») создается плазма из вспрыснутого газообразного тяжелого водорода (дейтерия) при сравнительно невысоком давлении. Эта камера надета на ярмо трансформатора, и в ней индукционным путем создается кольцевой ток, который, ионизируя газ, образует плазму и удерживает ее от соприкосновения со стенками с помощью собственного магнитного поля. Удержание плазмы обеспечивается тем, что силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно току и охватывают плазменный виток. Кроме того, ток, протекая по плазме, нагревает ее.
Итак, внутри тороидальной камеры образуется кольцевой плазменный шнур, по которому идет ток. Сам по себе такой плазменный виток с электрическим током неустойчив. Чтобы он обрел устойчивость, надо придать ему необходимую жесткость. Для этого на поверхность камеры надеваются катушки, создающие большое магнитное поле, напряженность которого во много раз превышает напряженность поля, создаваемого током, а силовые линии параллельны току в плазме. Это магнитное поле придает жесткость всему плазменному шнуру с протекающим по нему током. В течение длительного времени в Институте атомной энергии коллектив ученых под руководством академика Л. А. Арцимовича занимался получением все более горячей плазмы в устройствах такого типа. Пришлось столкнуться с большими трудностями. Шаг за шагом повышались параметры плазмы - увеличивались плотность, температура и так называемое время удержания энергии. В результате усилий научно-исследовательских и конструкторских организаций, заводов была создана большая установка «Токамак-10». Сложный и смелый проект установки был разработан НИИ электрофизической аппаратуры имени Ефремова, а изготовило ее ленинградское электромашиностроительное объединение «Электросила» имени Кирова. В разработке и изготовлении отдельных элементов установки принимали участие Харьковский электромеханический завод, «Уралэлектротяжмаш», Серпуховское научно-производственное объединение «Конденсатор» и другие предприятия Министерства электротехнической промышленности, предприятия и организации Министерства электронной промышленности, Министерства энергетики и электрификации.
С вводом в строй установки «Токамак-10» советские ученые получили мощный инструмент для исследований термоядерного синтеза. «Токамак-10» является последней чисто экспериментальной термоядерной установкой. Завершается долговременная программа физических экспериментов, проводимая в Институте атомной энергии. Полученные на наших установках результаты вместе с результатами, которых мы ждем от создаваемых установок за рубежом, послужат базой для строительства в ближайшие годы первого демонстрационного термоядерного реактора-токамака.
Под понятием «демонстрационный» следует понимать «промежуточный»! Речь идет, вероятно, о качественно новом этапе на пути к термоядерному синтезу!
- Словом «демонстрационный» обозначают установку, заполненную дейтериево-тритиевой плазмой, от которой получают энергию, равную примерно той, что затрачивается на разогрев газа до температуры «горения». Это действительно будет рубеж перехода от этапа физических исследований к этапу технологическому. Чтобы достичь его, ученым и инженерам предстоит преодолеть еще немало чисто технических трудностей, причем гораздо больших, чем те, которые стояли перед физиками и инженерами, создавшими первые атомные электростанции. Например, сверхмощная электромагнитная система будущего реактора должна быть сверхпроводящей.
Она может быть создана на основе существующих сверхпроводников, но если будут открыты новые сверхпроводники, способные работать при более высоких температурах, то задача значительно упростится.
Необходимо решить и ряд других технических и технологических проблем: создать соответствующие материалы для стенок реактора, выдерживающие огромные тепловые и нейтронные потоки; найти способы приготовления и восстановления горючего - дейтериево-тритиевой смеси, освоить очистку реагирующей высокотемпературной плазмы от примесей тяжелых элементов, отработать все конструктивные узлы и технологические системы на длительный (до десятка лет) срок работы и т. д.
Следующий шаг в программе токамаков связан с крупными установками Т-15 у нас и подобными за рубежом. Цель экспериментов - получение и исследование плазмы, параметры которой близки к термоядерным. Создание таких установок - последняя ступень к сооружению ИНТОРа - реактора, рассчитанного на получение самоподдерживающейся реакции и демонстрацию производства энергии с помощью термоядерного синтеза.
Созданная в Институте атомной энергии установка Т-15 - это «бублик» круглого сечения радиусом 2,4 метра с обмоткой из сверхпроводящих материалов. Для нагрева плазмы, кроме омического (за счет электронагрева), используется вспрыскивание быстрых атомов и токи высокой частоты (СВЧ). Две системы можно использовать одновременно. Система питания дополнительного нагрева, индуктора и обмоток управляющих магнитных полей от установки «Токамак-10». Предполагается на основе математического моделирования получить в Т-15 плазму с температурой ионов около 7 тысяч электрон-вольт при концентрации до 1014 в одной тысячной кубического сантиметра и временем удержания 0,1 секунды.
Термоядерный реактор будет одним из самых «чистых» энергетических аппаратов: он не станет выделять в окружающую среду продукты сгорания, в нем не будут нарабатываться долгоживущие радиоактивные осколки, как в атомном реакторе, а наведенная нейтронами активность в стенках, во-первых, будет меньше, чем активность продуктов деления, и, во-вторых, будет зависеть от выбора материала стенки реактора. По всей вероятности, это окажется самый безопасный для человека и природы объект. Он не потребует решения сколько-нибудь сложных проблем транспортировки топлива.
Сверхпроводящая обмотка приближает создание «рукотворного солнца».
Можно ли сказать, что создание такого реактора - дело ближайшего будущего?
- Уже подготовлено несколько эскизных проектов крупных термоядерных установок на основе токамаков, имеющих масштаб испытательного реактора. Согласно проекту демонстрационного реактора ИНТОР, это будет наиболее крупная установка данного типа. Предполагается, что ток в ней достигнет 5 - 6 миллионов ампер, а плотность 1,4 х 1014 в тысячной кубического сантиметра, температура ионов - 10 тысяч электрон-вольт. Мощность термоядерной реакции - 600 миллионов ватт. На ИНТОРе проектируется получение электроэнергии на уровне мощности 5 - 10 миллионов ватт.
Небезинтересна история создания ИНТОРа. По инициативе советских ученых в 1979 году в Международном агентстве по атомной энергии (МАГАТЭ) была образована международная рабочая группа. В ее задачи входила оценка возможности создания термоядерного реактора на основе системы «Токамак». Группа должна была определить программу и технические цели, параметры реактора, научно-исследовательскую базу для создания международными усилиями установки, которая продемонстрировала бы техническую возможность получения энергии за счет термоядерного синтеза. Опираясь на поддержку национальных коллективов, участники рабочей группы из нашей страны, США, Японии и стран Евроатома подготовили подробный отчет, в котором сделали вывод, что имеющиеся по физике токамаков данные и современный технический уровень достаточны для проектирования и сооружения в десятилетний срок международного токамака - реактора ИНТОР.
Определено, что в ИНТОРе можно будет осуществить длительное горение самоподдерживающейся термоядерной реакции.
В 1980 году начато проектирование ИНТОРа. Одновременно создается программа исследований и разработок для обоснования проекта. Важным этапом программы станут эксперименты с крупномасштабной плазмой на установках следующего поколения типа Т-15 и других.
После создания таких установок можно будет говорить об энергетическом термоядерном реакторе, а может быть, даже и термоядерной электростанции. Во всяком случае, мы надеемся, что до конца столетия она появится.
Поиски путей управляемого термоядерного синтеза вступают в новую фазу. Судя по темпам их развития, можно ожидать решения проблемы на физическом уровне в течение ближайших лет. А это значит, что уже сейчас должны быть заложены основы для перехода к следующему, не менее сложному и ответственному этапу - инженерно-технологическому. Тогда можно будет определить место термоядерной энергетики в общем энергетическом балансе как нашей страны, так и всего мира на конец века.
Хотелось бы обратить внимание еще на одну важную особенность в развитии исследований по термоядерному синтезу. В 1956 году по инициативе Советского Союза была сброшена завеса секретности с научных, работ по изучению плазмы. Сделал это И. В. Курчатов, который на конференции в Англии, будучи главой правительственной делегации, рассказал о наиболее интересных результатах, полученных советскими учеными.
Позже примеру Советского Союза последовали и другие страны. И оказалось, что, работая независимо друг от друга, тщательно скрывая результаты своих экспериментов, ученые пришли, в общем-то, к одинаковым идеям. С тех пор работы ведутся открыто и в тесном сотрудничестве: ученые активно обмениваются результатами. И теперь, когда мы подходим к стадии инженерных проектов, международное сотрудничество должно не ослабевать, а, наоборот, укрепляться. Навсегда избавить человечество от угрозы энергетического и топливного голода - гуманная цель. Ради нее стоит объединить усилия ученых всех стран.
