Термоядерная энергетик

ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Одной из наиболее острых и важных проблем, решаемых сегодня наукой, является проблема осуществления управляемой термоядерной реак­ции. Есть веские основания полагать, что успешное решение этой проблемы, которая сулит человечеству неисчерпаемые источники энергии, возможно при использовании мощных магнитов.

Принцип действия термоядерного реактора, над созданием которого работают крупнейшие физики многих стран мира, имеет много общего с принципом действия обычного атомного реактора. В обоих случаях основой являются ядерные реакции. Масса вещества перед ядерной реакцией не­сколько больше массы продуктов после реакции. В результате огромное энерговыделение.

Отличие заключается в том, что термоядерная реакция есть реакция соединения (синтеза) легких ядер в более тяжелые, а не их деления. Одной из наиболее выгодных в этом отношении реакций является синтез ядер гелия из ядер дейтерия — тяжелого водорода. Из дейтерия, содержащегося в 1 л воды, можно получить такую же энергию, как при сгорании 350 л бензина.

Теоретически схема высвобождения термоядерной энергии совершенно ясна. Да и практически ядерный синтез осуществлен в земных условиях — при взрыве водородных бомб. Но реакция, которая протекает в водородной бомбе, неуправляема; надо научиться ее регулировать, заставить протекать спокойно. В этом и заключается вся трудность. Чтобы осуществить управ­ляемый термоядерный синтез, нужно «всего лишь» разогнать ядра легких атомов до таких скоростей, чтобы при столкновениях они не разлетались. Для этого вещество должно иметь очень высокую температуру, измеряе­мую многими десятками миллионов градусов.

При такой высокой температуре любое вещество пребывает в так назы­ваемом плазменном состоянии. Атомы теряют свои электронные оболочки, и вещество превращается в бурлящую смесь положительно заряженных ядер и электронов. Такую горячую плазму невозможно удержать ни в одном сосуде.

Однако поскольку речь идет о заряженных частицах, то на их траектории можно воздействовать магнитными полями. Тогда при достаточно сильных магнитных полях и их соответствующей геометрии можно, несмотря на высокие скорости частиц, удержать их в некотором реакционном простран­стве (камере). Необходимые для этого магнитные поля столь велики, что безусловно их создание экономически оправдано только при использовании сверхпроводящих магнитов.

Уже сейчас обсуждаются технические, экономические и даже экологи­ческие показатели будущих термоядерных реакторов различных типов. Наибольшего развития достигли установки типа «Токамак». Именно на этих установках, широко развивающихся в нашей стране, удалось объеди­нить высокую температуру плазмы (до 80 млн. градусов), ее высокую плотность (до 1015 частиц в 1 см3) и значительное время удержания (до 0,1 с). Полученные на них экспериментальные результаты позволяют достаточно надежно рассчитывать параметры установки вплоть до промышленного термоядерного реактора.

«Токамак» внешне и по принципу действия похож на большой трансфор­матор (рис. 6.2.1). К его первичной обмотке подводится электропитание из сети. Вторичной обмоткой служит замкнутая тороидальная вакуумная камера, заполняемая водородом или его тяжелыми изотопами. При пропускании через первичную обмотку переменного тока в камере возникает вихревое поле, которое ионизирует рабочий газ. Наведенный в этом газе, как в про­воднике, сильный ток (сотни тысяч ампер) образует плазму и нагревает ее до высоких температур. Сильное магнитное поле вторичного тока и про­дольное поле, созданное специальной катушкой, удерживает плазменный шнур, не дает ему рассыпаться и упасть на стенки камеры.

Сложность заключается в том, что энергия, необходимая для питания магнитной системы установки, будет превышать выходную мощность термо­ядерного реактора; в лучшем случае для запуска системы потребуется спе­циальная мощная электростанция. Единственный выход — использование сверхпроводящих магнитов. Только в этом случае полезная мощность реак­тора будет больше мощности, потребляемой магнитной системой.

Сейчас на установке «Токамак-7» ведутся плазменные эксперименты и тщательнейшим образом изучается поведение сверхпроводящей системы, на долю которой приходится нелегкая работа. Ведь всего в нескольких сан­тиметрах от сверхпроводящей обмотки, охлажденной чуть ли не до абсо­лютного нуля, бушует термоядерное пламя с температурой в миллионы градусов. Кроме того, на сверхпроводящие катушки с током действуют гигантские электромагнитные силы. Малейшая разбалансировка этих сил, их отклонение от расчетных значений могут привести к перемещению токо-несущих сверхпроводников в соленоиде и затем к местному перегреву и потере сверхпроводимости. А за этим может последовать разрушение маг­нитной системы и всей установки. Уже одно это показывает, сколь совер­шенны должны быть сами сверхпроводящие соленоиды, а также системы их питания, контроля и защиты. И сколь важен для разработчиков будущих термоядерных реакторов опыт создания и эксплуатации «Токамака-7».

Накопленный опыт уже позволил советским ученым и конструкторам разработать самую крупную в мире сверхпроводящую систему, в магнитном поле которой будет накапливаться энергия более 600 МДж. Такая магнит­ная система предназначена для физической демонстрации термоядерной реакции на установке «Токамак-15», сооружаемой в Институте атомной энергии.