МАГНИТНЫЕ БАЛЛОНЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ

Если говорить простым привычным языком, можно сказать, что дело за посудой для горячей плазмы. Что такое плазма сейчас знают практически все. С плазмой или ее проявлением мы сталкиваемся повсюду: Солнце, звезды, молния, лампы дневного света, электрическая дуга - все это плазма, ионизованный газ. А «горячая» означает, что ее температура - миллионы, а в реакторах УТС - сотни миллионов градусов. Подобрать для такой плазмы «посуду» оказалось очень и очень непросто.

Проблемой управляемого термоядерного синтеза начали заниматься в начале 50-х годов, а в конце 60-х стало казаться, что определился безусловный лидер среди возможных плазменных ловушек - токамак. И хотя отец токамака академик Лев Андреевич Арцимович всячески подчеркивал, что сосредотачивать все силы мирового термоядерного сообщества на одной схеме опасно, началась, особенно после его смерти в 1973 году, глобальная «токаматизация» термоядерных исследований.

Квинтэссенцией этой деятельности стал проект «почти промышленной» установки «ИТЭР» - международного токамака - энергетического реактора, который разрабатывали США, Япония, Западная Европа и Россия. Только этот проект обошелся почти в полтора миллиарда долларов, а всего на проблему УТС, главным образом на токамаки, было израсходовано в десять раз больше. И тут законодатели США наложили вето на дальнейшее финансирование инженерных и технологических работ по данному проекту и потребовали поиска альтернативных вариантов, который и ведется сейчас американскими исследователями.

Но несмотря на все срывы, работы в области УТС продолжаются. Ведь запустив управляемую термоядерную реакцию, человечество, как говорил Л. А. Арцимович, в полном смысле слова попадает в «энергетическое Эльдорадо». Выделив из литра обычной воды содержащийся там изотоп водорода - дейтерий - и пропустив его через реактор, можно получить столько же энергии, сколько дает сжигание почти ста литров бензина. Кроме того, плазменные системы все шире применяются в машиностроении, аэрокосмической технике, в технологии обработки поверхностей, и многие из них тоже требуют сосудов для плазмы.

В качестве примера технически простого устройства для удержания низкотемпературной - до десятков тысяч градусов - плазмы можно привести получившие в настоящее время заметное распространение так называемые «сосуды со знакопеременными магнитными стенками» из множества постоянных магнитов. Несмотря на то, что стенки имеют «щели», через которые могут уходить частицы, общая площадь «щелей» невелика и потери плазмы незначительны. Подобные сосуды сейчас находят широкое применение, например в качестве ионизационных камер мощных ионных инжекторов, в том числе - космических ионных двигателей (см. «Наука и жизнь» № 9, 1999 г.).

Основная же проблема УТС состоит в том, что водородную плазму (смесь дейтерия с тритием) плотностью порядка 10¹⁴ см^-3 (в нормальных условиях - при давлении 1 атмосфера и температуре 0^оС - в 1 см³ содержится 2,7^.10¹⁹ частиц), но имеющую температуру около 100 миллионов градусов требуется удержать не меньше секунды. В качестве сосуда для удержания плазмы таких параметров наиболее эффективны магнитные поля. Однако до сегодняшнего дня создать его не удалось.

Традиционные магнитные ловушки (токамаки, стеллараторы и другие устройства) имеют существенный недостаток: плазма и магнитные поля в них «перемешаны» друг с другом. Это не позволяет рассматривать такие ловушки как сосуды в полном смысле слова, поскольку сосуд - это относительно тонкостенная оболочка, в которую что-то налито. Но главное не в этом.

Перемешанность поля и плазмы, как показывают исследования, приводит к ряду серьезных трудностей. Одна из наиболее существенных проблем, тормозящих осуществление управляемого синтеза, - общий недостаток «традиционных» систем, который можно назвать «диамагнитный порок». Суть его заключается в следующем.

Заряженные частицы плазмы в магнитном поле двигаются по спиралям, образуя как бы витки, кольцевые проводники с током. Они создают собственные магнитные поля, направленные противоположно внешнему полю. Сила, возникающая при взаимодействии этих полей, стремится выбросить виток наружу. Именно так поле действует на вещества, именуемые диамагнетиками. Следовательно, плазма в неоднородном магнитном поле обладает диамагнетизмом.

Этот эффект не заметен на уровне одиночных частиц - все-таки одна частица еще не колечко, - но он четко проявляется в совокупности частиц в виде различного рода неустойчивостей. С простейшими из них так или иначе научились справляться путем перехода на сложные трехмерные конфигурации поля, а в сложных случаях избавиться от них очень непросто.

Поэтому преодолевать негативные свойства диамагнетизма плазмы следует не «подлечиванием» существующих ловушек, а путем радикального превращения его из врага в друга, фактора не мешающего, а способствующего удержанию плазмы. Для этого достаточно магнитные поля использовать не как «среду обитания» плазмы, а как магнитный «забор», «корку», ее окружающую.

Во избежание недоразумений автор сразу хочет предупредить, что идеи первых устройств с «магнитной коркой» - под названиями «ловушки с охранными проводниками», «ловушки с магнитной сеткой» и другие появились еще сорок с лишним лет назад, а в 60-х годах с ними были предприняты первые кратковременные эксперименты. Однако уже в начале 70-х годов токамаки продемонстрировали наиболее высокие для того времени значения плотности, температуры и времени удержания плазмы. И тогда опыты с корковыми ловушками - за малым исключением («Торнадо» оригинальной конструкции в петербургском Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе) - были прекращены, несмотря на целый ряд очень интересных результатов.

Возрождение интереса к этим системам началось несколько лет назад. Связано оно как с общим развитием физики и техники плазмы, так и с трудностями, с которыми столкнулись токамаки.

Поскольку, как уже отмечалось, потребность в сосудах для плазмы, актуальная уже сегодня, со временем станет только расти, посмотрим, какие ловушки, хотя бы условно, можно назвать «идеальными».

Прежде всего, очевидно, нужно устранить вредные действия диамагнетизма плазмы, то есть это должны быть ловушки с магнитной оболочкой («коркой»).

Ловушка не должна иметь «щелей», приводящих к быстрым потерям частиц.

Как и во всякой «нормальной» посуде, оболочка должна иметь меньший объем, чем ее содержимое - плазма.

Граница раздела плазма - поле - должна быть устойчивой.

Эти четыре условия определяют основные черты «идеальных ловушек» и ряд требований к их конструкции.

Из этих условий видно, что ловушка, удовлетворяющая перечисленным условиям, не может иметь форму шара или, точнее, яйца, в котором роль белка играет магнитное поле, а желтка - плазма. Это объясняется тем, что для эффективного удержания плазмы, магнитные силовые линии должны быть всюду параллельны ее поверхности.

Такое требование формально эквивалентно попытке причесать волосатый шар, что невозможно: всегда окажутся торчащими по крайней мере два волоска, а в нашем случае - два отверстия в поле, а через них плазма начнет убегать. Простейшая фигура, которую можно полностью «причесать», - тор (бублик). Следовательно, удовлетворяющая трем указанным условиям конфигурация поля - полый магнитный тор. Этого могло быть вполне достаточно для идеальной ловушки, если бы магнитное поле не деформировалось под действием плазмы. Но, к сожалению, это не так.

Если за счет каких-либо случайных причин граница раздела возмущается и между силовыми линиями начинает проникать «язык» плазмы, то дальнейшее развитие процесса будет зависеть от того, усиливается или ослабевает при этом поле магнитного барьера. Если с удалением от границы поле станет слабее, магнитное давление упадет, а давление плазмы практически не изменится, то плазменный «язык» станет двигаться все дальше и граница оказывается неустойчивой. Но если поле по мере удаления от границы нарастает, магнитное давление загонит «язык» назад - граница будет устойчива.

В нарастающем по мере удаления от границы магнитном поле силовые линии выпуклы в сторону плазмы. Но тогда сечение плазменного объема оказывается «остроугольным», с широкими щелями по углам. Преодолеть эту неприятность можно, только замкнув дополнительным полем одну щель с другой. Тогда частица, покинув сосуд через одну щель, неизбежно вернется в него через другую. Возникает конфигура ция, реально удовлетворяющая всем основным условиям.

Но тут появляется еще одна неприятность: такую конфигурацию поля нельзя создать без проводников с током, со всех сторон окруженных плазмой! Такие проводники назвали миксинами (миксины, ближайшие родственники миног, самостоятельно могут завязываться в узел). Очевидно, в идеале миксины должны свободно висеть в магнитном поле («левитировать») - на любой опоре плазма станет гаснуть, да и ни один материал контакта с ней долго не выдержит. Миксина должна быть сверхпроводящей, ибо только так можно получить непрерывные токи большой величины в ней и, следовательно, сильные магнитные поля. А они необходимы не только для «левитации» миксины, но и для предотвращения контакта с ней плазмы. Возбуждать ток в миксине можно переменным магнитным полем. Тонкий плазменный слой, охватывающий миксину, получил название «мантия». В мантиях плазма и поля перемешаны друг с другом, но из-за их малого объема диамагнетизм плазмы в целом никакой роли не играет.

В дальнейшем, следуя складывающейся традиции, будем называть магнитные ловушки для плазмы, содержащие полностью окруженные плазмой проводники, «галатеи». В греческой мифологии Галатея - одна из пятидесяти дочерей бога моря Нерея. Каждая нереида «отвечала» за одно какое-то состояние моря. Спокойным утренним морем, прикрытым легкой белым дымкой, ведала Галатея. Дав имя этого божества реактору для управляемого термоядерного синтеза, физики надеются, что плазма в нем тоже окажется спокойной.

Понятия и схема идеальной ловушки нужны как ориентир в огромном море возможных конструкций. Для каждой конкретной задачи требуются системы со специфическими особенностями, возможно, далекие от рассмотренного идеала. Среди галатей могут быть и ловушки, в которых плазма и поля полностью перемешаны. Первая конкретная схема «магнитотермоядерного реактора» (МТР), предложенная А. Д. Сахаровым около 1950 года, была галатеей этого типа.

Сейчас в США создается галатея «Диполь» со сверхпроводящими катушками, но поле и плазма в ней перемешаны. Этим устройством очень интересовался Эдвард Теллер, «отец» американской водородной бомбы.

К идеальным ловушкам относятся только системы с магнитной коркой.

Несмотря на явные принципиальные достоинства галатей для целей управляемого термоядерного синтеза у многих создавалось впечатление, что связанные с ними технические трудности слишком велики, а то и вообще неразрешимы. Главным образом разговор шел о трех проблемах, на которых мы и остановимся.

Чтобы обеспечить левитацию миксин, несущих радиационную защиту, достаточно поместить под ними опертое о землю кольцо с током противоположного направления, создающим поле напряженностью около 200 эрстед. Это не очень много (средняя напряженность магнитного поля Земли порядка 1 эрстеда), особенно если учесть, что для удержания плазмы в термоядерных реакторах типа токамак требуется порядка 30-50 тысяч эрстед.

Не вызывает серьезных трудностей и создание системы стабилизации положения миксины. Наглядной демонстрацией ее технической простоты может служить создание в Японии и Германии сверхскоростных пассажирс ких поездов на магнитной подвеске, развивающих скорость более 500 км/ч.

В термоядерных реакторах миксины будут интенсивно облучаться потоками нейтронов, гамма- и другими излучениями. Поэтому у проблемы отвода приходящей энергии есть два аспекта: сброс основной доли энергии, «застревающей» в наружных слоях миксин, и поддержание низкой температуры сверхпроводника.

НАЧНЕМ С ПЕРВОЙ ПРОБЛЕМЫ.

Исходными здесь могут служить данные многочисленных инженерных проектов токамаков - реакторов, которые показали, что потоки энергии на стенку находятся на уровне 100-200 Вт/см². Но такая мощность сбрасывается тепловым излучением вольфрамо вой или керамической стенки при температуре 2000-2300 К. Кстати, это отмечал и А. Д. Сахаров в своей схеме магнитотермоядерного реактора.

Эта проблема, по-видимому, наиболее сложна. Однако она имеет два решения, существенно зависящих от рабочей температуры сверхпроводника.

Простейший из них - это создание реактора, работающего в циклическом режиме. Расчеты показывают, что длительность рабочего цикла может быть порядка 1000 секунд при использовании гелиевых сверхпроводников с рабочей температурой до 15 К. Открытие в последнее десятилетие «высокотемпе ратурных» (до 70 К) «азотных» сверхпроводников позволит увеличить длительность рабочего цикла почти в 100 раз. Отработав должное время, миксина опускается на опоры, быстро охлаждается и снова возвращается в рабочее состояние.

Но возможна и другая схема работы, когда в зоне сверхпроводимости миксины помещают генератор холода - как в домашнем холодильнике. Энергию к нему можно подавать либо извне (например, СВЧ-волнами миллиметрового диапазона, которые свободно проходят через плазму), либо от встроенного электрогенератора, работающего за счет перепада температур в самой миксине (он всегда существует из-за неравномерного нагрева поверхности миксины радиацией). Из сказанного видно, что неразрешимых проблем с охлаждением сверхпроводящего кольца нет. Кроме того, представляется весьма вероятным создание сверхпроводящих материалов с рабочей температурой, близкой к комнатной. Поэтому вряд ли можно сомневаться, что трудности, которые еще недавно многим казались непреодолимыми, в скором времени восприниматься всерьез не будут.

В период расцвета исследований по токомакам в мире работало около ста установок, имеющих практически одинаковую конструкцию .

Ничего похожего на галатеях не было. Результаты, полученные на одних установках, не проверялись на других аналогичных установках и поэтому не обладали должной полнотой. Тем не менее ни в коем случае нельзя считать, что галатеи в экспериментах плохо держали плазму. Поэтому вызывает большое сожаление, что их изучение не получило должного развития.

Современные установки для исследован ий по управляемому термоядерному синтезу, как правило, поражают своими масштабами, мощностью систем электропитания, изощренностью диагностических средств. Однако на заре работ по УТС все было весьма скромным и это породило в Институте Курчатова даже шуточный лозунг: «Каждой домохозяйке по зет-пинчу» (зет-пинч - сжатый магнитным полем плазменный шнур, образующийся при пропускании импульса тока в керамической трубе с разряженным газом, из которого впервые был обнаружен выход нейтронов).

Сейчас такой лозунг, с заменой «зет-пинча» на «галатею», может стать не слишком абсурдным. Исследования галатей можно вести в физпрактикумах большинства технических вузов. Для этого достаточно иметь вакуумные насосы, способные обеспечить разряжение до 10^-4 мм рт. ст., и вакуумную камеру диаметром и длиной около полуметра. Рабочим газом может служить аргон или азот. Поскольку в таких установках мощность источника плазмы невелика, а время удержания мало, их миксины можно подвесить на тонких нитях.

8. «Наука и жизнь» № 9, 2000 Разумеется, галатеи такого масштаба заведомо не могут указать надежный путь в «энергетическое Эльдорадо». Но такие малые установки могут быть не только учебным пособием. Аккуратное и системати ческое изучение процессов в них представляет большой научный интерес, не говоря о том, что скромные модели галатей, безусловно, станут основой для решения многих прикладных задач.

В Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) по руководством доктора физико-математических наук А. И. Бугровой и автора экспериментально изучается ряд вариантов галатей. Теоретически исследования этих ловушек ведутся в Институте ядерного синтеза (ИЯС) Российского научного центра Курчатовский институт и в Институте прикладной математики имени М. В. Келдыша. Полученные к настоящему времени результаты позволяют надеяться, что галатеи внесут существенный вклад в многоликую плазменную технологию.