Термоядерная энергетика

В принятых XXV съездом КПСС "Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976-1980 годы" отмечается необходимость развивать теоретические и экспериментальные исследования в области ядерной физики и физики плазмы в целях создания научно-технических основ термоядерной энергетики.

Управляемая термоядерная реакция - заманчивая перспектива для физиков, заветная мечта энергетиков. Овладеть ею - значит одарить человечество неиссякаемым источником энергии. Успешное решение проблемы позволит превращать энергию водорода в практически неограниченное количество электричества и тепла, не загрязняя атмосферу. Работы по термоядерному синтезу впервые в мире начались в СССР в 1950 г. под руководством И. В. Курчатова. За четверть века была фактически создана новая область физики - физика высокотемпературной плазмы.

Если в обычной атомной энергетике применяют реакции деления ядер, при которых ядро делится на части нейтронами с освобождением огромной энергии и образованием новых нейтронов, поддерживающих реакции, то в термоядерной энергетике будет использоваться противоположный процесс - слияние легких ядер вместе с образованием более тяжелых. В качестве топлива здесь выступают ядра изотопов водорода, в первую очередь дейтерия.

Атомный вес водорода - 1. Тот же элемент, но с атомным весом в 2 раза больше, называется тяжелым водородом, или дейтерием. В термоядерной реакции участвуют дейтерий или тритий (водород с атомным весом 3). Где взять дейтерий и тритий? Эта проблема легко разрешима. В морях и океанах содержится огромное количество дейтерия. Тритий получают из другого элемента - лития - в термоядерном реакторе. Запасы его также практически неограниченны.

При ядерном слиянии 1 кг изотопов водорода выделяется в 10 млн. раз больше энергии, чем при сжигании одного килограмма угля. Реакции синтеза могут происходить только тогда, когда два ядра сближаются на расстоянии порядка 10^-13 см. Чтобы сближение произошло, положительно заряженные частицы должны преодолеть взаимное электростатическое отталкивание, т. е. обладать большой энергией. Чтобы ядра обрели огромную кинетическую энергию и смогли соединиться друг с другом, необходимо нагреть вещество до чрезвычайно высокой температуры.

В ответ на преступление американских империалистов, сбросивших в конце второй мировой войны атомные бомбы в Нагасаки и Хиросиме, в СССР была создана не только атомная бомба, в которой использовался принцип расщепления ядер тяжелых элементов - урана и тория, но и несравненно более мощное оружие - водородная бомба, в которой высвобождалась колоссальная энергия слияния ядер водорода, т. е. как бы на короткий миг в земных условиях воспроизводилась та же реакция, что и в ядре Солнца. В книге П. Т. Асташенкова "Академик И. В. Курчатов" (Военное издательство, 1972 г.) убедительно показано, какой шок вызвали эти успехи советской науки у сторонников войны.

И. В. Курчатов и его талантливые ученики сразу же после создания атомной и водородной бомб начали работать над тем, чтобы научиться управлять термоядерной энергией и заставить ее служить на благо людям.

Термоядерная энергия - основа энергетики будущего, главное направление развития атомной техники на современном этапе.

"Первая половина XX в., - говорил И. В. Курчатов, - завершилась крупнейшей победой науки - техническим решением задачи использования громадных запасов энергии тяжелых атомных ядер урана и тория. Этого вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если все электростанции земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана и тория хватит лишь на 100-200 лет. За этот же срок исчерпаются запасы угля и нефти.

Вторая половина XX в. будет веком термоядерной энергии. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществлены в нашей стране, в США и в Англии в водородных бомбах. Сейчас перед наукой и техникой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива".

Что же происходит, когда разновидности водорода (дейтерий, тритий) на мгновение подвергаются очень сильному нагреву и огромному давлению? Связи между элементарными частицами нарушаются, атомные ядра теряют электронную оболочку, скорости движения частиц сильно повышаются, и ядра все больше преодолевают действующие между ними электрические (кулоновские) силы отталкивания. В этих условиях атомные ядра могут соединяться друг с другом, образуя ядра других химических элементов и высвобождая при этом огромную энергию.

Источником энергии термоядерного синтеза, как и энергии деления ядер, служит внутриядерная энергия. Она выделяется в свободном виде в тех ядерных процессах, которые сопровождаются убылью общей массы участвующих в реакции ядер. Количественной основой этого процесса служит закон эквивалентности энергии и массы: Е=mс². По изменению массы покоя реагирующих ядер он позволяет определить количество выделенной энергии синтеза.

После первоначального разогрева плазма поддерживает и развивает реакцию уже как бы изнутри, за счет энергии, выделяющейся в результате синтеза ядер. В дальнейшем процесс идет самопроизвольно, автоматически, без притока энергии со стороны, подобно тому как это происходит на Солнце и в звездах.

Наука еще не познала многого в природе явлений, происходящих на Солнце, но нет сомнений в том, что основной причиной выделения энергии Солнцем служат непрерывно протекающие на нем термоядерные процессы. Солнце можно уподобить гигантской термоядерной энергетической установке, безотказно действующей миллиарды лет.

Считается, что в звездах происходит термоядерный синтез двух циклов: углеродно-азотного (цикла Бете) и водородного (протонно-протонного) цикла. Источник энергии, который питает излучение звезд, есть и на Земле. Это внутриядерная энергия. Нужно только научиться ее извлекать. Ученые считают, что эта задача не легче той, которую пришлось решать человеку каменного века, когда перед ним встала проблема получения огня из куска дерева, т. е., говоря современным языком, извлечения из него химической энергии.

К вопросу о том, как нагреть и удержать плазму - сырье термоядерного реактора, - сводится вся задача ближайшего этапа термоядерных исследований. Если тяжелые ядра находятся на грани самопроизвольного деления, то легкие оказывают сильное сопротивление слиянию. Причина в том, что контакт между ними трудно осуществим: ядра имеют положительный заряд, вследствие чего они отталкиваются друг от друга. Поэтому главная задача на пути осуществления термоядерной реакции состоит в том, чтобы преодолеть это сопротивление (кулоновский барьер), с большой скоростью сталкивая ядра между собой.

В атомных ускорителях это достигается стрельбой ядрами-снарядами по ядрам-мишеням, в водородной бомбе - сверхвысокой температурой в результате подрыва ядерного запала, на Солнце - громадной температурой и давлением, вызванным гравитационными силами. Ученые возлагают надежды на то, что, заменив гравитационные силы магнитными, можно будет осуществить нечто подобное процессам, происходящим на Солнце.

Для начала реакции плазма должна быть сжата до небольшого объема, однако при этом она не должна вступать в соприкосновение с обычным веществом во избежание мгновенного охлаждения. Казалось, задача была бы невыполнима, если бы не одно свойство плазмы. Оно заключается в том, что плазма состоит из движущихся электрически заряженных частиц и может быть ограничена в пространстве с помощью магнитных полей.

Вот уже много лет усилия советских ученых направлены на создание особых магнитных полей, которые могли бы служить "бутылками" для удержания плазмы. Такие "бутылки" могут быть двух основных типов. В "бутылках" открытого типа сдавливающие магнитные поля образуют торцевую "пробку", не дающую плазме выйти через концы реактора, имеющего форму трубы. В закрытой "бутылке" труба изогнута в форме тороида, и магнитные поля в этом случае призваны оттеснить плазму к оси трубы, удерживая ее от соприкосновения со стенками.

Однако если в центре Солнца огромное давление вышележащих слоев, стянутых силами гравитации, создает очень плотную плазму и не дает ей расширяться, что позволяет реакции протекать при температуре около 20 млн. градусов, то в земных условиях гравитационные силы слишком малы, чтобы сдержать плазму. Единственный выход - сжать плазму магнитными силовыми линиями, причем как можно плотнее. Но поскольку достигнуть такой же плотности частиц, которая существует на Солнце, все же, видимо, не удастся, температуру плазмы придется, по подсчетам теоретиков, поднимать выше солнечной, доводя ее почти до 100 млн. градусов.

Для промышленной установки управляемой термоядерной реакции необходимо магнитное поле в сотни тысяч эрстед (напомним, что магнитное поле Земли составляет один эрстед). Физики давно ищут эффективные пути для получения таких колоссальных магнитных полей, используя те знания о природе магнетизма, которые накопила наука.

Из школьных учебников известно, что напряженность магнитного поля прямо пропорциональна величине тока, проходящего через проводник. Увеличению силы тока препятствует сопротивление проводника. Поэтому единственный выход из создавшегося положения многие физики видят в поисках сверхпроводящих материалов.

Если бы удалось создать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, в энергетике совершился бы технический переворот. Прекратились бы потери миллиардов киловатт мощности при передаче энергии на расстояния, мы избавились бы от необходимости строительства дорогостоящих подстанций и других устройств, без которых немыслима сегодняшняя энергетика.

А пока сверхпроводники существуют при сверхнизких температурах (-253°). Использование их вызывает огромные технические трудности. Эти трудности - одна из основных преград на пути создания установки управляемой термоядерной реакции.

Может оказаться, что первый физический термоядерный реактор будет представлять собой устройство для микровзрывов конденсированного вещества (смеси дейтерия и трития) с помощью очень мощного квантового генератора. Для этого потребуется сконцентрировать энергию в микрообъеме вещества, которое перейдет в сверхплотное состояние. Ученые пытаются решить эту проблему с помощью сверхмощных электронных пучков, сверхбыстрого нагрева микроколичеств вещества.

Одно из наиболее перспективных направлений - осуществление термоядерной реакции в форме спокойного пламени в так называемых стационарных системах. Экспериментальные установки, в которых идет такая реакция, получили общее название "Токамак" (тороидальная камера в магнитном поле). Слово это стало международным. В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова создан ряд "Токамаков", в том числе "Токамак-3", "Токамак-4" и "Токамак-6", на которых ставились эксперименты по уточнению некоторых теоретических посылок, проверялись оптимальные режимы работы, изучались особенности поведения плазменного шнура.

В тороидальной камере "Токамака" при сравнительно невысоком давлении создается плазма из впрыснутого газообразного тяжелого водорода. Камера надета на ярмо трансформатора. В ней индукционным путем возбуждается кольцевой ток, который, влияя на газ, образует плазму и удерживает ее от соприкосновения со стенками с помощью собственного магнитного поля. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно току и охватывают плазменный виток. Протекая по плазме, ток нагревает ее.

Сам по себе такой плазменный шнур неустойчив. Чтобы он обрел устойчивость, надо придать ему необходимую жесткость. Для этого на поверхность камеры надевают магнитные катушки, создающие большое магнитное поле, напряженность которого во много раз превышает напряженность поля, создаваемого током, а силовые линии параллельны току в плазме.

В 1975 г. в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова был осуществлен пуск крупнейшей в мире экспериментальной термоядерной установки "Токамак-10". Получена устойчивая термоядерная реакция на дейтерии. "Токамак-10" предназначен для нагрева водорода до температуры недр Солнца - десятков миллионов градусов - и удержания нагретого вещества в течение продолжительного времени.

Какие же проблемы предстоит решить? Во-первых, необходимо научиться нагревать плазму до 100 млн. градусов. Во-вторых, плотность плазмы должна быть не менее 100 тыс. млрд. частиц в кубическом сантиметре, т. е. вдвое больше, чем сейчас. Самое главное - время удержания плазмы. На "Токамаке-10" оно равно одной-двум сотым секунды, для полномасштабной термоядерной реакции требуется секунда.

Исследования на "Токамаке-10" послужат базой для создания в начале 80-х гг. первого демонстрационного термоядерного реактора - "Токамак-20". Сила тока в нем будет достигать 5-6 млн., а объем плазмы - 400 м³. Проект реактора разрабатывается в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова.

В 1975 г. в Дубне Международным агентством по атомной энергии было организовано совещание, которое обсудило четыре проекта демонстрационных термоядерных реакторов типа "Токамак" - европейский (стран "Общего рынка"), японский, американский и советский. Проект советского демонстрационного реактора "Токамак-20" представлял собой наиболее крупную из рассматривавшихся на этом совещании установок.

"Под демонстрационным реактором, - рассказывает академик Е. П. Велихов, - имеют в виду установку с полномасштабной дейтериево-тритиевой плазмой, с выделением энергии, примерно равной той, что затрачивается на разогрев плазмы до температуры "горения". Это будет рубеж перехода от этапа физических исследований к этапу технологическому. Чтобы достичь его, ученым и инженерам предстоит решить немало важных научно-технических задач. 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 стенки реактора, выдерживающие огромные тепловые и нейтронные потоки, найти способы приготовления и восстановления горючего - дейтериево-тритиевой смеси, предусмотреть конструктивные узлы и технологические системы на длительный (до десятка лет) ресурс работы и т. д.

Спустя примерно пять лет после создания установки можно будет ставить вопрос о постройке энергетического термоядерного реактора, а может быть, и термоядерной электростанции. Во всяком случае, до конца столетия она, безусловно, появится".

Академики Е. П. Велихов и Б. Б. Кадомцев обращают внимание на следующее. Энергия термоядерных реакции выделяется в виде потока энергичных нейтронов. Нельзя ли использовать это качество более разумным способом, нежели просто превращая энергию нейтронов в тепло? Не следовало ли бы окружить реагирующую плазму слоем из урана, в котором нейтроны будут производить деление ядер и тем увеличивать выход энергии? При этом может быть использован природный уран или даже уран-235. Получается так называемый гибридный термоядерно-атомпый реактор, в котором энергия поставляется ураном, а термоядерная часть служит только источником нейтронов.

"Оказывается, в гибридном варианте, - заключают Е. П. Велихов и Б. Б. Кадомцев, - существенно снижаются требования к параметрам плазмы - достигнутые параметры уже вплотную подходят к необходимому уровню. Кроме того, гибридная электростанция экономически выгодна при гораздо меньшей мощности, к тому же в ней может быть использована существующая технология атомных реакторов. Важно также и то, что в гибридном реакторе можно производить плутоний - топливо для обычных реакторов. Работая во взаимодействии с обычными АЭС, гибридные станции послужат переходным этапом к чистой термоядерной энергетике".

В исследованиях по управляемому термоядерному синтезу существуют и другие направления, связанные, в частности, с использованием квантовых генераторов и релятивистских электронных пучков.

Наиболее простой метод инициирования малого термоядерного взрыва - быстрый (за стомиллионные доли секунды) нагрев поверхностного слоя маленькой таблетки до температуры в миллион градусов за счет торможения мощного пучка ускоренных электронов. Возникающее колоссальное давление ускоряет вещество поверхностного слоя, которое, в свою очередь, сжимает и нагревает термоядерное топливо.

Первым экспериментальным комплексом такого типа стала установка, пущенная Физическим институтом имени П. Н. Лебедева АН СССР в 1970 г. Она включала предназначенный для сферического облучения мишени девятиканальный лазер с энергией 1,3 кДж и временем импульса до миллиардной доли секунды, а также большой комплекс диагностической аппаратуры. В 1972-1973 гг. аналогичные установки начали работать во Франции и в США.

В 1975 г. группа ученых Института атомной энергии имени И. В. Курчатова под руководством доктора физико-математических наук Л. И. Рудакова добилась существенного успеха, продемонстрировав сжатие топлива в сотни раз и достижение температур порядка 10 млн. градусов. В результате термоядерной реакции, происходящей в дейтериевом топливе, получено более миллиона нейтронов. Это открывает, как считают ученые, перспективы для разработки импульсного термоядерного реактора, похожего на двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия выделяется в виде периодически повторяющихся малых взрывов.

Международное агентство по атомной энергии и Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР организовали в 1976 г. в Дубне Международное совещание по управляемому термоядерному синтезу. На нем были обсуждены проблемы, связанные с технологией инерциального удержания плазмы. В совещании приняли участие специалисты СССР, Великобритании, США, Франции, ФРГ и Японии.

В статье "Путь к термоядерным электростанциям", опубликованной 4 июля 1975 г. в газете "Известия", академик Б. Б. Кадомцев отмечал:

"Сейчас исследования по управляемому термоядерному синтезу во всем мире обрели очень быстрые темпы. Произошло это примерно два года назад. С одной стороны, это было вызвано определенным успехом научного поиска, а с другой - энергетическим кризисом, охватившим ряд капиталистических стран. Анализ всех возможных энергетических источников еще раз убедительно показал, что большой энергетике будущего следует ориентироваться на атомные электростанции, обычные урановые и в перспективе - термоядерные.

И вот спустя 25 лет после начала термоядерных исследований началось резкое наращивание темпа работ в этом направлении. Япония, например, решила сразу в 10 (!) раз увеличить финансирование термоядерных исследований и создать специальный институт.

Американское правительство недавно приняло решение об ускорении программы развития исследований в этой области. На следующую пятилетку только на традиционное направление по магнитному удержанию плазмы американцы предполагают выделить более миллиарда долларов. В Западной Европе также решено увеличить вложения в термоядерные исследования и объединенными усилиями построить крупную установку. С ускорением темпов работ появляется возможность уже в этом столетии взвесить все плюсы и минусы термоядерной энергетики, выбрать экономически наиболее выгодные решения".

На пути создания звездного вещества - плазмы, т. е. на пути овладения термоядерным синтезом, стоят многие трудности. Успешное разрешение этой величайшей проблемы, очевидно, во многом будет зависеть от новых открытий в области магнитной гидродинамики, физики плазмы и ядерной физики.

Никогда нельзя точно предсказать, как будет развиваться та или иная отрасль науки. Можно надеяться, что в недалеком будущем люди найдут до сих пор неизвестные способы управления термоядерным синтезом.

Нейтронное излучение плазмы

Под руководством И. В. Курчатова группа ученых, в которую вошли академик Л. А. Арцимович, доктора физико-математических наук А. М. Андрианов и С. Ю. Лукьянов, кандидат физико-математических наук И. М. Подгорный, кандидат технических наук Н. В. Филиппов и сотрудники института Е. И. Доброхотов и В. И. Спицын, при исследовании высокотемпературной плазмы еще в 1952 г. открыла ранее неизвестное явление нейтронного излучения плазмы.

В дейтериевой газоразрядной плазме в условиях, когда средняя энергия частиц составляет 100 эВ, за счет неизвестного до сих пор механизма возникает неравновесная группа быстрых дейтронов с энергией около 100 КэВ. Эти дейтроны при столкновениях вызывают ядерные реакции с выходом нейтронов. Зарегистрированная интенсивность нейтронного излучения при силе тока 200 кА составляет 108 нейтронов на импульс. Одновременно с нейтронами источником рентгеновских квантов с энергией в сотни киловольт является мощный импульсный разряд. Рентгеновские кванты также порождаются неравновесной группой быстрых электронов, возникающих в разряде. Итак, неизвестный механизм, относительно которого пока существуют гипотезы, вызывает ускорение ионов и электронов в мощном газовом разряде.

Сущность открытия была впервые изложена в журнале "Атомная энергия", 1956, № 3. Появление в печати этой работы, а также сообщение об открытии в докладе И. В. Курчатова, сделанном в 1956 г. в английском атомном центре Хэруэле, вызвало многочисленные исследования английских и американских ученых, подтвердившие выводы советских ученых. Нейтронное излучение было обнаружено не только в цилиндрических камерах, но и в кольцевой разрядной камере английской установки "Зета".

Первые данные о результатах английских и американских работ были опубликованы в журнале "Нейчер" 25 января 1958 г. и в журнале "Физикл ревю" 1 февраля 1958 г. В опытах, осуществленных в Радиационной лаборатории имени Э. Лоуренса в Беркли, начальные условия которых были аналогичны начальным условиям советского эксперимента, не только подтвердилось существование открытого явления, но и совпали почти все основные характеристики полученных результатов. В связи с этим американские ученые писали: "Во время экспериментов мы наблюдали появление нейтронов в дейтериевом пинче (т. е. с магнитным удержанием плазмы. - Ю. К.), подобно тому как об этом сообщалось в блестящем докладе Курчатова".

Открытие советских физиков внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 3 с приоритетом от 4 июля 1952 г. Оно сформулировано так:

"При исследовании высокотемпературной плазмы установлено неизвестное ранее явление, заключающееся в том, что в плазме, образованной при прохождении мощных импульсов тока через дейтерий, возникает нейтронное излучение интенсивностью около 10⁸ нейтронов на разряд. Это излучение обусловлено появлением в плазме группы неравновесных быстрых частиц (дейтронов)".

Удержание плазмы магнитным полем

Академик Г. И. Будкер открыл неизвестную ранее закономерность удержания в магнитной системе с незамкнутыми силовыми линиями не только отдельных частиц, но и плазмы. В целях такого удержания создаются сгущения магнитных силовых линий ("пробки"). Частицы в магнитной системе с двумя "пробками" при определенных условиях оказываются запертыми в ограниченном объеме. Удержание плазмы обусловлено отражением частиц с определенным соотношением между продольной и поперечной составляющими скорости от мест сгущения линий поля. Время удержания плазмы - порядка времени столкновения частиц или большее.

На основе этого открытия были сооружены термоядерные установки типа магнитных ловушек или установок с магнитными "пробками", такие, как "ОГРА-1" и "ПР-2". Предложенные Г. И. Будкером системы получили дальнейшее развитие: сооружены новые установки с комбинированными магнитными полями - "ОГРА-2", "ПР-5" и др.

В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова и в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР на установках с магнитными "пробками" добыты важные научные результаты. В частности, в 1964 г. была получена плазма с температурой около 100 млн. градусов, генерирующая термоядерные нейтроны. Одна из таких установок Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР демонстрировалась в действующем виде на Женевской международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Открытие Г. И. Будкера нашло применение в физике плазмы, в космической физике и т. д.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 30 с приоритетом от июля 1953 г.

Тококонвективная неустойчивость плазмы

Группа ученых, в которую вошли кандидат физико-математических наук Ю. Л. Иванов и доктор физико-математических наук С. М. Рывкин из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе АН СССР, академик Б. Б. Кадомцев и доктдр физико-математических наук А. В. Недоспасов из Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, открыла неизвестное ранее явление тококонвективной неустойчивости плазмы.

При помещении образца полупроводника в магнитное поле и наложении на него электрического поля, параллельного магнитному, в образце самопроизвольно возникают колебания электрического потенциала и концентрации плазмы. Эффект имеет пороговый характер, т. е. создается при напряженности магнитного поля, превышающей некоторое критическое колебание. Одновременно с возникновением колебаний начинают расти потери из плазмы заряженных частиц. Аналогичное явление наблюдается в плазме газового разряда. Таким образом, эффект, обнаруженный в твердом полупроводнике, оказался родственным явлением неустойчивости плазмы.

Природа этих явлений заключается в том, что плазма, неоднородная в направлении, поперечном относительно наложенных полей, оказывается неустойчивой. В ней возбуждаются вращающиеся спиральные волны концентрации носителей зарядов. Волны поддерживаются благодаря их электрической поляризации продольным током и конвективному движению плазмы в перпендикулярном направлении, которое возникает вследствие дрейфа скрещенных электрического и магнитного полей.

Открытие даст возможность моделировать многие плазменные процессы, используя дешевые полупроводники. Оно является основой для нового типа полупроводникового генератора электрических колебаний в широком интервале частот, представляет большой интерес для исследования магнитного удержания плазмы при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза. При взаимодействии электронных пучков с плазмой в магнитном поле возникает аналог тококонвективной неустойчивости, так называемая пучково-дрейфовая неустойчивость. Она приводит к эффективной передаче энергии электронного пучка ионам плазмы и используется как удобный метод заполнения магнитных ловушек высокотемпературной плазмой.

Открытие зарегистрировано под № 78 с приоритетом от 14 декабря 1957 г. Формула открытия следующая:

"Установлено ранее неизвестное явление тококонвективной неустойчивости плазмы, возникающее при наложении на равновесную электронно-дырочную или газовую плазму постоянных продольных электрического и магнитного полей и проявляющееся в возбуждении спиральных волн концентрации плазмы".

Образование высокотемпературной плазмы в высокочастотном разряде

С разных сторон подходят ученые к сложной проблеме покорения плазмы. До сих пор речь шла о нагреве плазмы, изолированной от стенок реактора сильным магнитным полем, о надежной термоизоляции, так как соприкосновение горячей плазмы с твердыми стенками установки или частицами газа, казалось, неизбежно должно повести к ее охлаждению, к утечке энергии.

В 1959 г. академик П. Л. Капица открыл новое физическое явление в плазме. Он обнаружил, что при мощном высокочастотном разряде в плотных газах при атмосферном или более высоком давлении образуется стационарная плазма, имеющая высокую электронную температуру. Это означает, что плазма практически полностыо ионизирована. Значит, в крупных установках можно нагревать ионы до температуры, при которой начнутся реакции термоядерного синтеза. Конечно, путь этот может оказаться трудным и длительным. Однако нет сомнений в том, что открыто новое направление в решении важнейшей научно-технической проблемы.

Многие годы академик Капица занимался развитием нового направления - электроникой больших мощностей. Он изобрел высокочастотные генераторы нового типа - планотрон и ниготрон, излучающие большую непрерывную мощность. В 1950 г., после создания планотрона, генерируемая им мощность была пропущена через кварцевый шар, наполненный гелием. В гелии вспыхнул рязряд, имеющий четкие границы, и через несколько секунд кварцевый шар расплавился. Это наблюдение привело к гипотезе о природе шаровой молнии, высказанной П. Л. Капицей в 1955 г. При дальнейшем исследовании разряда с использованием более мощного генератора - ниготрона было открыто новое физическое явление - существование внутри разряда высокотемпературной плазмы.

Образование такой плазмы было экспериментально доказано многочисленными опытами, проведенными коллективом Физической лаборатории АН СССР, возглавляемой академиком П. Л. Капицей. Исследования велись во всех областях спектра, начиная от ультрафиолетового и кончая инфракрасным. Было проведено измерение высокочастотных характеристик плазменного шнура и изучено влияние на плазму сильного постоянного магнитного поля. Результаты экспериментов свидетельствовали о том, что во внутренней области плазменного шнура находилась полностью ионизированная плазма с электронной температурой порядка миллиона градусов. Почему же эта температура не передавалась окружающему газу? Каков здесь механизм термоизоляции?

П. Л. Капица так объясняет это явление. Поскольку плазма значительно горячее, чем окружающий ее газ, она имеет значительно меньшую, чем он, плотность и по отношению к нему находится как бы в другом состоянии. Поэтому на границе плазмы образуется двойной электрический слой, упруго отражающий электроны внутрь плазмы и препятствующий теплопереносу. Нечто подобное происходит на стенках обычных газоразрядных трубок. Возникновение на границе с газом температурного скачка и обусловленное им существование внутри разряда высокотемпературной плазмы - новое интересное физическое явление. В связи с этим дальнейшие эксперименты, связанные с увеличением масштаба установок, могут иметь большое практическое значение для ядерной энергетики, не говоря уже о том, что поведут к более глубокому научному пониманию плазменных процессов.

Открытие академика П. Л. Капицы зарегистрировано под № 87 с приоритетом от 21 апреля 1959 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление образования высокотемпературной стационарной плазмы с электронной температурой WG° К при мощном высокочастотном разряде в газах (гелий, водород, дейтерий и др.) или их смесях, находящихся при атмосферном ила более высоком давлении. Шнуровой разряд, в котором заключена горячая плазма, локализован внутри объемного резонатора в области максимальной концентрации высокочастотного электрического поля и окружеч термоизолирующим слоем из частично ионизированного газа".

Кроме того, комитет выдал академику Капице два авторских свидетельства на изобретения под названиями: "Способ получения высокотемпературной плазмы" и "Устройство для получения высокотемпературной плазмы". Эти изобретения запатентованы в ряде зарубежных стран.

Турбулентный нагрев и аномальное сопротивление плазмы

Важный вклад в решение проблемы термоядерного синтеза сделан научным коллективом Института атомной энергии имени И. В. Курчатова и Харьковского физико-технического института АН УССР, куда вошли академик Е. К. Завойский, член-корреспондент АН УССР Ф. Б. Файнберг, доктора физико-математических наук Л. И. Рудаков и С. Д. Фанченко, кандидаты физико-математических наук М. В. Бабыкин, Е. Д. Волков, Б. А. Демидов, В. А. Скорюпии, В. А. Супруненко, Е. А. Сухомлнн и кандидат технических наук П. П. Гаврин. Ими было открыто явление турбулентного нагрева и аномального сопротивления плазмы.

Как уже говорилось, плазма в термоядерном реакторе должна быть нагрета до нескольких сот миллионов градусов. При такой температуре спокойная плазма - прекрасный проводник электрического тока. Ее электрическое сопротивление в таком случае значительно меньше электрического сопротивления меди или, например, серебра. Поэтому, когда плазму пытаются нагревать электрическим током, возникают громадные технические трудности, так как большая часть подводного тепла расходуется в проводах и кабелях.

Раньше был известен джоулевый метод нагревания плазмы: движущиеся под действием электрического тока электроны сталкиваются с частицами плазмы и передают им свою энергию. Такой нагрев, естественно, неэффективен, так как вероятность столкновения при больших температурах мала. Было установлено, что, если увеличить плотность тока до определенной пороговой величины, сопротивление плазмы резко возрастет. За этим порогом плазма напоминает море, покрытое барашками. Эти барашки - турбулентные завихрения, возникшие из-за плазменных колебаний, - и вызывают аномальное увеличение сопротивления плазмы, которое, как показали опыты, является результатом взаимодействий ее частиц с электрическими полями колебаний, возбужденных электрическим током. Теперь благодаря открытию турбулентного нагрева удается полнее использовать электрическую энергию на нагревание плазмы.

В экспериментах была доказана возможность нагрева плазмы током до термоядерных температур - 20-30 млн. градусов. Открытие советских ученых получило широкое признание и рассматривается как одно из перспективных направлений в исследовании термоядерных процессов. После первых успешных опытов в СССР ученые США, Англии, Японии, ФРГ и Голландии развернули исследования турбулентного нагрева плазмы. На международных конференциях по управляемому термоядерному синтезу в СССР (1968 г.) и в США (1971 г.) на специальных заседаниях обсуждались проблемы турбулентного нагрева плазмы.

Фундаментальное открытие советских физиков помогает еще глубже понять свойства плазмы. Оно приоткрывает завесу над тайнами полярных сияний и магнитных бурь, солнечных вспышек и других геофизических процессов.

Открытие советских ученых зарегистрировано под № 112 с приоритетом от 9 сентября 1961 г. Формула открытия следующая:

"Установлено неизвестное ранее явление аномального увеличения сопротивления и турбулентный нагрев плазмы электрическим током, обусловленные взаимодействием частиц с плазменными колебаниями, возбуждаемыми током".

Эксперименты показали, что ученые находятся на правильном пути. Правда, это пока не означает того, что широкая столбовая дорога к термоядерной электростанции уже открыта.

"Ученым остается еще, - заявил академик Р. 3. Сагдеев, - решить комплекс труднейших научно-технических проблем, затрагивающих такие сложные вопросы, как создание сильных магнитных полей, высокого вакуума и чистоты, поиски материала, выдерживающего высокие температуры. В этих областях техники каждый год, каждый день может принести совершенно неожиданные открытия, которые способны существенно изменить любой прогноз, относящийся к срокам создания промышленных термоядерных электростанций, в лучшую сторону. Например, если бы мне завтра сказали, что удалось получить сверхпроводник при комнатной температуре, то я, не колеблясь, сбросил бы лет десять с имеющихся прогнозов".

Давая высокую оценку советским исследователям и сообщая о создании в США установок по типу советских установок "Токамак", американский журнал "Форчун" в статье Т. Александера "Горизонты термоядерной энергетики" пишет: "...источником оптимизма являются не отдельные достижения, а общий прогресс в приручении плазмы. Но больше всего обнадеживает то, что ни один из открытых законов не исключает возможности осуществления управляемой термоядерной реакции".

Борьба за термоядерный реактор идет не только на установках "Токамак". Изучаются открытые и замкнутые магнитные ловушки разных типов, различные варианты импульсных систем. И постепенно плазма делается все менее строптивой. Некоторые формы неустойчивостей научились подавлять надлежащим подбором конфигураций магнитных полей.

Газета ФРГ "Франкфуртер альгемайнен" опубликовала статью В. Трома "В соседстве с энергией будущего", в которой утверждается, что "в течение двух предстоящих десятилетий энергия, получаемая от атомных электростанций, приобретет первостепенное значение. Даже при крайне осторожной оценке можно предположить, что в последнее десятилетие нашего столетия атомным и термоядерным станциям будет принадлежать главная роль в производстве электроэнергии, а с 2000 г. они, по-видимому, станут незаменимыми".

В будущем ученые надеются осуществить прямое превращение термоядерной энергии в электрическую. Ведь большая часть энергии, высвобождаемой при термоядерной реакции, выделяется в виде энергии заряженных частиц электронов и ядер, движущихся с большой скоростью. Поскольку электрический ток в генераторах и проводниках также представляет собой движение электрических зарядов, ученые сделали вывод о возможности прямой перекачки электрической энергии из термоядерного реактора.

О будущих термоядерных реакторах сегодня думают не только физики, но и инженеры, металлурги, технологи, специалисты многих областей науки. Лишь поиски во всех направлениях, умелое сочетание разных методов и средств позволят решить величайшую проблему нашего века.