Термоядерная установка
Термоядерная установка
Ученые нашей страны и большинства развитых стран мира уже много лет занимаются проблемой использования термоядерных реакций для целей энергетики. Созданы уникальные термоядерные установки – сложнейшие технические устройства, предназначенные для изучения возможности получения колоссальной энергии, которая выделяется пока лишь при взрыве водородной бомбы. Ученые хотят научиться контролировать ход термоядерной реакции – реакции соединения тяжелых ядер водорода (дейтерия и трития) с образованием ядер гелия при высоких температурах, – чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию в мирных целях, на благо людям.
В литре водопроводной воды содержится совсем немного дейтерия. Но если этот дейтерий собрать и использовать как топливо в термоядерной установке, то можно получить энергии столько, сколько от сжигания почти 300 килограммов нефти. А для обеспечения энергией, которую сейчас получают при сжигании обычного топлива, добываемого за год, потребовалось бы извлечь дейтерий из воды, содержащейся в кубе со стороной всего 160 метров. Одна река Волга ежегодно несет в Каспийское море около 60000 таких кубов воды.
Для осуществления термоядерной реакции необходимо соблюдение нескольких условий. Так, температура в зоне, где происходит соединение тяжелых ядер водорода, должна составлять примерно 100 миллионов градусов. При такой огромной температуре речь идет уже не о газе, а о плазме. Плазма – это такое состояние вещества, когда при высоких температурах газа нейтральные атомы теряют принадлежащие им электроны и превращаются в положительные ионы. По-другому, плазма – смесь свободно движущихся положительных ионов и электронов. Второе условие состоит в необходимости поддерживать в зоне реакции плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре. И, наконец, главное и самое трудное, – надо удержать ход термоядерной реакции хотя бы не меньше одной секунды.
Рабочая камера термоядерной установки – тороидальная, похожа на огромный пустотелый бублик. Она заполнена смесью дейтерия и трития. Внутри самой камеры создается плазменный виток – проводник, по которому пропускают электрический ток силой около 20 миллионов ампер.
Электрический ток выполняет три важные функции. Во-первых, он создает плазму. Во-вторых, разогревает ее до ста миллионов градусов. И, наконец, ток создает вокруг себя магнитное поле, то есть окружает плазму магнитными силовыми линиями. В принципе силовые линии вокруг плазмы должны были бы удержать ее в подвешенном состоянии и не дать плазме возможность соприкоснуться со стенками камеры Однако удержать плазму в подвешенном состоянии не так просто. Электрические силы деформируют плазменный проводник, не обладающий прочностью металлического проводника. Он изгибается, ударяется о стенку камеры и отдает ей свою тепловую энергию. Для предотвращения этого поверх тороидальной камеры надевают еще катушки, создающие в камере продольное магнитное поле, оттесняющее плазменный проводник от стенок. Только и этого оказывается мало, поскольку плазменный проводник с током стремится растянуться, увеличить свой диаметр. Удержать плазменный проводник от расширения призвано также магнитное поле, которое создается автоматически, без посторонних внешних сил. Плазменный проводник помещают вместе с тороидальной камерой еще в одну камеру большего размера, сделанную из немагнитного материала, обычно меди. Как только плазменный проводник делает попытку отклониться от положения равновесия, в медной оболочке по закону электромагнитной индукции возникает индукционный ток, обратный по направлению току в плазме. В результате появляется противодействующая сила, отталкивающая плазму от стенок камеры.
Удерживать плазму от соприкосновения со стенками камеры магнитным полем предложил в 1949 году А.Д. Сахаров, а немного позже американец Дж. Спитцер.
В физике принято давать названия каждому новому типу экспериментальных установок. Сооружение с такой системой обмоток именуется токамаком – сокращение от «тороидальная камера и магнитная катушка».
В 1970-е годы в СССР была построена термоядерная установка, названная «Токамак-10». Ее разработали в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. На этой установке получили температуру плазменного проводника 10 миллионов градусов, плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре и время удержания плазмы близко к 0,5 секунды. Крупнейшая на сегодня в нашей стране установка «Токамак-15» также построена в московском научном центре «Курчатовский институт».
Все созданные термоядерные установки пока лишь потребляют энергию на разогрев плазмы и создание магнитных полей. Термоядерная установка будущего должна, наоборот, выделять столько энергии, чтобы небольшую ее часть можно было использовать для поддержания термоядерной реакции, то есть подогрева плазмы, создания магнитных полей и питания многих вспомогательных устройств и приборов, а основную часть – отдавать для потребления в электрическую сеть
В 1997 году в Великобритании на токамаке JET достигли совпадения вложенной и полученной энергии. Хотя и этого, конечно, недостаточно для самоподдержания процесса: до 80 процентов полученной энергии теряется. Для того чтобы реактор работал, необходимо производить энергии в пять раз больше, чем тратится на нагревание плазмы и создание магнитных полей.
В 1986 году страны Европейского союза вместе с СССР, США и Японией решили совместными усилиями разработать и построить к 2010 году достаточно большой токамак, способный производить энергию не только для поддержания термоядерного синтеза в плазме, но и для получения полезной электрической мощности. Этот реактор назвали ITER, аббревиатура от – «международный термоядерный экспериментальный реактор». К 1998 году удалось завершить проектные расчеты, но из-за отказа американцев в конструкцию реактора пришлось вносить изменения, чтобы уменьшить его стоимость.
Можно позволить частицам двигаться естественным образом, а камере придать форму, повторяющую их траекторию. Камера тогда имеет довольно причудливый вид. Она повторяет форму плазменного шнура, возникающего в магнитном поле внешних катушек сложной конфигурации. Магнитное поле создают внешние катушки гораздо более сложной конфигурации, чем в токамаке. Устройства подобного рода называют стеллараторами. В нашей стране построен торсатрон «Ураган-3М». Этот экспериментальный стелларатор рассчитан на удержание плазмы, нагретой до десяти миллионов градусов.
В настоящее время у токамаков появились и другие серьезные конкуренты, использующие инерциальный термоядерный синтез. В этом случае несколько миллиграммов дейтерий-тритиевой смеси заключают в капсулу диаметром 1-2 миллиметра. На капсуле фокусируют импульсное излучение нескольких десятков мощных лазеров. В результате капсула мгновенно испаряется. В излучение надо вложить 2 МДж энергии за 5-10 наносекунд. Тогда световое давление сожмет смесь до такой степени, что может пойти реакция термоядерного синтеза. Выделившаяся энергия при взрыве, по мощности эквивалентного взрыву ста килограммов тротила, будет преобразовываться в более удобную для использования форму – например в электрическую. Экспериментальная установка такого типа (NIF) строится в США и должна начать работать в 2010 году.
Однако строительство стеллараторов и установок инерциального синтеза также наталкивается на серьезные технические трудности. Вероятно, практическое использование термоядерной энергии – вопрос не ближайшего будущего.