Когда-то это была красивая мечта – зажечь на Земле рукотворное Солнце. Сейчас это стало насущной необходимостью. На смену углю и нефти должно прийти «чистое топливо», ресурсы которого дешевы и неограниченны. А какие ресурсы могут быть более доступны и более чисты, чем вода? Значит, речь идет о том, чтобы «зажечь воду»? Не слишком ли мы замахнулись?

В 1862 году в связи с открытием Всемирной выставки английская газета «Тайме» опубликовала как серьезные, так и шуточные прогнозы развития человечества на 100 лет вперед. Самым фантастичным был проект «страшного открытия – нахождения способа горения воды»... Сегодня мы вполне серьезно пытаемся добиться слияния ядер гелия – изотопа водорода, что получило название «термоядерный синтез». Чтобы лучше представить, чего добилось бы человечество, овладев термоядерным синтезом, достаточно сравнить количество энергии, выделяемой в. трех основных реакциях, используемых для получения тепла. При сжигании водорода в кислороде на каждый грамм сгорающих веществ выделяется всего 4,4«ватт-часа. При распаде атомов урановых элементов на грамм вещества можно получить 22,5 миллиона ватт-часов. При синтезе же гелия из самого легкого во Вселенной элемента – водорода или его разновидности – дейтерия эта цифра доходит до 98 миллионов ватт-часов.

Термоядерный способ получения энергии возник одновременно со Вселенной и прошел «проверку» в миллиарды и миллиарды лет, оказавшись самым практичным и экономически целесообразным. И действительно, он самый чистый, самый безвредный. Сырье – вода, отходов практически нет.

Если бы сейчас все электростанции мира перешли на термоядерный режим, то даже с учетом коэффициента полезного действия всего в 30 процентов для непрерывной работы в сутки им понадобилось бы 720 килограммов тяжелого водорода – дейтерия. Продукция одного небольшого завода, куда по трубам диаметром 10 сантиметров текла бы обычная вода!

Увлекательна и многообещающа идея создания термоядерного реактора. Как осуществить эту заветную мечту, теоретически человечеству совершенно ясно. Надо сообщить ядрам атомов водорода или дейтерия такую скорость, чтобы при столкновении друг с другом они не отталкивались, а сливались. Однако на практике... Поиски, и очень активные, идут по разным направлениям. Многие из них, вероятно, увенчаются в будущем успехом. Но пока лидируют два. Первый – «запуск» реакции термоядерного синтеза с помощью лазеров. В Советском Союзе это направление успешно разрабатывают в Физическом институте имени Лебедева под руководством лауреата Ленинской и Нобелевской премий академика Николая Геннадиевича Басова. Другой – создание магнитных ловушек для нагрева плазмы. Это так называемая программа «Токамак» – токовая магнитная камера с комбинацией магнитных и электрических полей, которая родилась в Институте атомной энергии имени Курчатова.

...Летом 1975 года, через 25 лет после того, как возникли первые идеи об удержании плазмы, в Институте атомной энергии имени Курчатова в Москве была пущена крупнейшая в мире экспериментальная термоядерная установка «Токамак-10». Она способна нагревать водород до такой температуры, которая

существует только в недрах Солнца, – до десятков миллионов градусов. Другая ее особенность – способность удерживать это солнечное вещество, получившее название плазмы, в течение продолжительного времени. В раскаленном газе из ядер водорода начинается реакция – слияние легких ядер в более тяжелые – в гелий. При этом выделяется колоссальная энергия.

Расчеты, основанные на хорошем знании процессов взаимодействия ядер между собой, позволяют установить критерии-, при которых можно построить термоядерный реактор, выделяющий энергии больше, чем ушло на создание магнитных и электрических полей, необходимых для удержания и нагрева плазмы. Каковы эти критерии? Прежде всего температура оптимального ядерного горючего, каким является смесь дейтерия с тритием, должна превосходить 100° миллионов градусов. Это еще не так сложно. В грубом, правда, пересчете, чтобы нагреть один грамм тяжелого водорода – дейтерия до температуры в миллион градусов, надо затратить примерно столько же энергии, сколько требуется, чтобы вскипятить ведро воды. Затем необходимо, чтобы у каждого ядра, находящегося в веществе, была возможность вызвать ядерную реакцию. Такая возможность станет реальной, если ядро встретит на своем пути достаточное количество других ядер. Чтобы было как можно больше встреч, нужна высокая концентрация вещества и относительно долгое время существования ядра.

Таким образом, мы должны создать вещество с очень высокой температурой и добиться того, чтобы каждая горячая частица, то есть частица, обладающая высокой энергией, существовала в нем время, достаточное для столкновения и взаимодействия с другими .частицами.

Сразу же становится очевидным, что выдержать все. критерии – трудная задача, потому что в разогретой до солнечных температур плазме быстрые частицы будут выносить энергию на стенки сосуда, внутри которого она создается. Значит, необходимо каким-то образом суметь удерживать это «звездное вещество» в ограниченном земными материалами объеме. Вот почему практическое начало работ по термоядерному синтезу совпадает с моментом, когда возникли идеи об удержании плазмы.

У истоков этих исследований стояли выдающиеся советские 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 была предложена и идея создания магнитных ловушек для плазмы. Если мы поместим плазму в сильное магнитное поле, созданное таким образом, чтобы силовые линии поля со всех сторон обволакивали ее, то «звездный клубок» будет висеть в вакууме и не сможет взаимодействовать со стенками сосуда.

Вначале, когда появилась идея магнитного удержания, все были полны энтузиазма. Однако через несколько лет стало очевидным, что, несмотря на простоту исходной мьюли, на пути ее осуществления имеется много подводных камней. Дело в том, что плазма – это крайне капризная субстанция, которая живет и хорошо себя ведет, пока ее не ограничивают.

Поначалу на Западе к советской программе отнеслись с недоверием. Зато теперь работы по этой программе стали одним из главных направлений термоядерных исследований в США, Европе, Японии. Почти все соглашения нашей страны о научном сотрудничестве в области ядерной физики включают сотрудничество по термоядерным проблемам. В Институт атомной энергии имени Курчатова, головной в разработке «Токамаков», приезжали для изучения опыта и постановки экспериментов ученые из десятков стран мира.

Установка «Токамак» устроена следующим образом. В тороидальной камере (пустом «бублике») создается плазма из вспрыснутого газообразного тяжелого водорода – дейтерия при сравнительно невысоком давлении. Камера надета на ярмо трансформатора, и в ней индукционным путем создается кольцевой ток, который удерживает плазму от соприкосновения со стенками с помощью собственного магнитного поля. Сам по себе такой плазменный виток с электрическим током неустойчив. Чтобы он обрел устойчивость, на поверхность камеры надеваются катушки, создающие магнитное поле, во много раз большее, чем создаваемое током.

В течение длительного времени в Институте атомной энергии коллектив под руководством Л. А. Арцимовича занимался получением все более горячей, плотной и долгоживущей плазмы. Усилиями многих научно-исследовательских, конструкторских организаций и заводов была создана большая установка «Токамак-10». Изготовили ее на ленинградском электромашиностроительном объединении «Электросила» имени Кирова.

С вводом установки «Токамак-10» советские ученые получили мощный инструмент для исследований термоядерного синтеза. «Токамак-10» является последней из чисто экспериментальных установок, завершающей долговременную программу разработок и исследований в Институте атомной энергии. Результаты, полученные на ней, вместе с результатами, которых мы ждем от вновь создаваемых «токамаков» за рубежом, а также от нашего «Токама-ка-7», первой установки со сверхпроводящей обмоткой магнита, послужат достаточной базой для сооружения в начале 80-х годов первого демонстрационного термоядерного реактора-токамака.

Понятием «демонстрационный» обозначают установку, заполненную дейтериево-тритиевой плазмой, на которой выделяется энергия, примерно равная той, что затрачивается на разогрев газа до температуры «горения». Это будет рубеж перехода от этапа физических исследований к этапу технологических. Чтобы достичь его, ученым и инженерам разных стран предстоит одолеть еще немало чисто технических трудностей, причем гораздо больших, чем те, которые стояли перед физиками и инженерами, создававшими 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 ускорится.

Необходимо решить и ряд других технических и технологических проблем: создать материалы для стенки реактора, выдерживающие огромные тепловые и нейтронные потоки; найти способы приготовления и восстановления горючего – дейтериево-тритиевой смеси, освоить очистку плазмы от примесей тяжелых элементов, отработать все конструктивные узлы и технологические системы на длительный (до десятка лет) ресурс работы и так далее.

Пока еще ни в одном из экспериментов не получена полномасштабная термоядерная реакция, но на повестку дня уже поставлено проектирование испытательных или демонстрационных термоядерных реакторов, уже подготовлено несколько эскизов проектов крупных установок на основе «Токамака». По проекту демонстрационный реактор «Токамак-20» будет наиболее крупной установкой такого типа. Предполагается, что ток в ней будет достигать 5 – 6 миллионов ампер, а объем плазмы – 400 кубических метров. Установка позволит длительно работать с дейтериево-тритиевой реакцией и детально изучить поведение материалов в мощном потоке нейтронов. Так что, помимо научных проблем, можно будет решать и многие технологические. Спустя примерно пять лет после создания этой установки можно будет ставить вопрос о создании энергетического термоядерного реактора, 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 этой проблемы на физическом уровне в течение ближайших пяти-шести лет. А это значит, что уже сейчас должны быть заложены основы перехода к следующему, не менее сложному и ответственному этапу – инженерно-технологическому. Тогда можно будет определить на конец века место термоядерной энергетики и ее роль в общем энергетическом балансе страны.

• Страницы:
• 1
• 2
• следующая

Представьтесь или зарегистрируйтесь, чтобы участвовать в обсуждении.