УКРОЩЕНИЕ НЕУКРОТИМОГО
Стремление получить высокотемпературную плазму натолкнулось сразу на несколько очень сложных проблем. Во-первых, надлежало ее нагреть до многих миллионов градусов. Во-вторых, чтобы сохранить высокую температуру плазмы, нужно изолировать ее от стенок реактора, создать своего рода плазменное облако. В-третьих, это облако необходимо сделать абсолютно устойчивым, чтобы оно висело в пространстве, не смещаясь и ни к чему не прикасаясь.
Один из подходов к решению этих проблем сначала появился на листке бумаги в виде несложных схем и математических уравнений. Вскоре идея была реализована в установках, получивших наименование ТОКАМАК - от слов "тороидальная камера с магнитной катушкой". В плазменном сгустке создавали электрический ток, и при этом, как у всякого тока, у него появлялось собственное магнитное поле - сгусток плазмы как бы сам становился магнитом. И тогда с помощью внешнего магнитного поля определенной конфигурации подвешивали плазменное облако в центре камеры, не позволяя ему соприкасаться со стенками.
В упрощенном виде сама камера для термоядерного синтеза в ТОКАМАКах - тороидальная, то есть по форме напоминает бублик. Из камеры откачивают воздух, чтобы посторонние атомы не вмешивались в процесс, а затем в нее вводят дейтерий-тритиевую смесь. Снаружи расположены катушки, подключенные к переменному электрическому напряжению. Подобно первичной обмотке трансформатора, они создают кольцевой ток в водородной плазме. В газе всегда есть свободные ионы и электроны, которые начинают двигаться в камере по кругу, как в короткозамкнутой вторичной трансформаторной обмотке. Этот ток нагревает газ, количество ионизированных атомов растет, одновременно увеличивается сила тока и повышается температура плазмы. А значит, количество водородных ядер, слившихся в ядро гелия и выделивших энергию, становится все больше.
Подобную простую схему и имели в виду физики, когда почти пятьдесят лет назад в Москве, в Институте атомной энергии, построили первый в мире ТОКАМАК и начали первые эксперименты. Очень скоро выяснилось, что реальность вносит в теорию свое дополнение, с виду тоже очень простое: сгусток нагретой водородной плазмы, подвешенный в магнитном поле, оказался неустойчивым. Он довольно быстро, за тысячные доли секунды, распадался и вываливался на стенки камеры.
Оказалось, что к неустойчивости приводит комбинация нескольких сложных физических процессов. Здесь были различные виды колебаний и волн в плазме, возникающие в ней местные магнитные поля, блуждающие температурные неоднородности и масса других неожиданностей. Открывшийся плазменный хаос начали исследовать крупнейшие физики - М. А. Леонтович, Л. А. Арцимович, Р. З. Сагдеев, Д. Д. Рютов, Б. Б. Кадомцев, Е. П. Велихов, В. Д. Шафранов, Б. А. Трубников и многие, многие другие. Постепенно возникала ясность, а вместе с ней появлялись практические рекомендации по повышению устойчивос ти плазмы. Вот одна из них: уменьшить кольцевой ток в плазме и использовать для дополнительного нагрева мощные излучатели радиоволн сверхвысокой частоты - гиротроны. Кроме того стало ясно, что время устойчивого удержания плазмы возрастает с увеличением размеров установки. Крупнейшая отечественная машина ТОКАМАК-15 уже имеет тороидальную вакуумную камеру с внешним диаметром "бублика" более пяти метров. Крупные исследовательские токамаки были построены в России, Японии, США, Франции, Англии. А несколько лет назад специалисты пришли к выводу, что оставшиеся нерешенные проблемы нужно исследовать на установке, максимально приближенной к реальному энергетическому термоядерному реактору. Это понимание и привело к работам по созданию ИТэРа.
Кстати, неустойчивость плазмы - серьезная проблема не только токамаков , но практически и всех других установок для термоядерного синтеза. О некоторых из них уже давно пора сказать несколько слов.
СЕМЬ КРАСНЫХ СТРЕЛ АТАКИ
Лет двадцать назад был придуман эффектный рисунок, отображающий основные методы, с которыми связывались надежды на решение проблемы управляемого термояда. Саму задачу представлял круг с надписью "УТС", в который, как на карте военного наступления, с разных сторон упиралось больше десятка красных стрел с соответствующими надписями.
Сегодня таких стрел было бы нарисовано меньше. Какие-то методы не вышли еще из сферы теоретических поисков, для других не видно пока реальных способов практического применения. Специалисты, скорее всего, оставили бы на карте семь красных стрел атаки:
1. Токамак. О нем уже говорилось выше, но одно дополнение все же необходимо. Оно будет сделано в самом конце, после оглашения всего списка.
2. Стелларатор. Здесь, как и в ТОКАМАКе, плазма тоже подвешена в магнитном поле, но тока в ней нет. Греют плазму в основном мощным радиоизлучением, а держат ее только сложной формы магнитные поля, созданные внешними катушками.
3. Открытая ловушка, или, иначе, пробкотрон. В цилиндрическую вакуумную камеру, запертую магнитными пробками, точно выбрав направление, впрыскивают атомы, которые тормозятся в водородном газе и превращают его в горячую плазму. Удерживают ее магнитные поля сложной конфигурации.
4. Плазменный фокус. В вакуумной камере между двумя электродами создается мощный импульс тока, который быстро нагревает плазму и дает всплеск ядерного синтеза. Плазма, как и в предыдущих случаях, связана с магнитным полем, но синтез идет в импульсах микросекундной длительности.
4. Лазерный термояд. Водородный синтез происходит в миллиметровых размеров шариках, наполненных дейтерием или дейтерий-тритиевой смесью в твердом либо газообразном состоянии. Шарики один за другим падают в рабочее пространство установки, где по ним поочередно со всех сторон ударяют мощные лазерные лучи. Они на лету сильно нагревают и сжимают шарик-мишень, в котором, как в водородной бомбе, происходит термоядерный микровзрыв и выделяется значительная энергия (см. "Наука и жизнь" № 11, 1999 г.). Стрела "Лазерный термояд" разветвляется на четыре самостоятельные стрелки - наряду с лазерными лучами в таком инерционном синтезе пытаются использовать мощные пучки электронов, легких и тяжелых ионов.
5. Мюонный катализ. В дейтерий-тритиевый газ вводят мю-мезоны (мюоны) - частицы с таким же отрицательным зарядом, как у электрона, но в 200 раз более тяжелые. С участием мюонов в большом количестве образуются напоминающие атом конструкции - мюон вращается вокруг двух сблизившихся, но пока еще независимых ядер дейтерия и трития. Этот "тяжелый электрон" находится на орбите, весьма близкой к ядрам, и сильно "сжимает" их своим электрическим полем. Ядра сливаются, выделяя порцию энергии, и такой процесс с одним мюоном повторяется более ста раз. Так что мюон действует как катализатор - облегчает и ускоряет ядерный синтез, снижает необходимую для него температуру.
6. Галатея. Традиционные магнитные ловушки, перечисленные выше, имеют одно общее свойство: плазма и магнитное поле в них "перемешаны". Это приводит к нескольким неприятным явлениям, одно из которых - неустойчивость плазменного шнура. Заряженные частицы плазмы движутся в поле по спиралям, образуя круговые токи. Собственные магнитные поля токов направлены противоположно полям внешним, и при их взаимодействии возникает сила, выталкивающая плазму из поля.
В устройствах, называемых галатеями, магнитное поле образует своего рода "корку", или "забор", который отбрасывает вылетающую частицу внутрь плазменного шнура. Для этого внутри плазменного объема нужно подвесить сверхпроводящие кольца, по которым циркулирует электрический ток. Один из вариантов такого "магнитотермоядерного реактора" был предложен А.Д. Сахаровым в 1950 году (см. "Наука и жизнь" № 12, 2000 г.).
Есть и другие, еще более экзотические проекты. Предлагается, например, осуществлять термоядерную реакцию, сталкивая пучки ионов дейтерия в коллайдере (см. "Наука и жизнь" № 1, 2000 г.).
А теперь обещанное дополнение касательно ТОКАМАКа. От всех других установок и методов этот вариант проведения управляемой термоядерной реакции отличается прежде всего тем, что он в основном уже вышел из сферы сомнений и поисков. Благодаря накопленной за пятьдесят лет исследований обширной базе физических и инженерно-технических данных он вплотную подошел к стадии экспериментального реактора. Это, видимо, и вдохновило международное сообщество на создание ИТЭРа.
ВЕЛОСИПЕД ЛУЧШЕ ИМЕТЬ ЛИЧНЫЙ, А РЕАКТОР - ОБЩИЙ
Такой грандиозный проект, как ИТЭР, - дело сложное, небыстрое и дорогое. К тому же плазменная система, имеющая практически бесконечное число степеней свободы, в принципе не может быть рассчитана до конца. Предсказать ее поведение со стопроцентной точностью невозможно. Этим она отличается даже от самых больших ускорителей заряженных частиц, целиком основанных на хорошо известных законах электродинамики. Даже богатой стране нет никакого смысла делать его в одиночку - результатом будут знания и опыт, которые все равно станут общим достоянием и в национальную экономику сразу ничего не внесут. В то же время, объединив усилия, можно резко ускорить продвижение к своему работающему термояду и снизить собственные затраты. Поэтому в 1992 году было подписано соглашение о совместном техническом конструировании реактора ИТЭР под эгидой МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии). А его концептуальное проектирование по инициативе нашей страны началось на четыре года раньше. В команду проектировщиков ИТЭРа вошли специалисты Европейского союза, России, США и Японии. В 1999 году США вышли из четверки. Сами американские физики объясняли это трудностями финансирования и недостаточным вниманием администрации США к энергетике. Но сейчас в Москве американцы несколько раз отмечали, что после недавних серьезных энергетических проблем в Калифорнии, самом богатом штате, администрация меняет свое отношение к делу, и США ушли из ИТЭРа, не захлопнув дверь навсегда. В то же время как самостоятель ный участник проекта после официального предложения своей территории под строительство ИТЭРа в программу вошла Канада. До этого она вместе с Казахстаном была ассоциированным членом итэровской команды и работала в рамках команды Евроатома (а Казахстан - команды России).
Даже несколько фактов и цифр, взятых из Технического проекта, завершение которого недавно отметили "Дни ИТЭР" в Москве, позволяют представить себе эту огромную и сложную машину. Здесь же мы скажем, что высота вакуумной камеры - 15 метров (пятиэтажный дом), а внешний диаметр - более 12 метров. Само же здание кубической формы, со стороной более 70 метров, где разместится реактор со всеми вспомогательными системами, поднимется над землей как минимум на двадцать жилых этажей.
Одна из главных деталей ИТЭРа (если это сооружение можно считать деталью) называется "бланкет", в переводе на русский "одеяло". Бланкет со всех сторон охватывает кольцо плазмы, и родившиеся при синтезе основные носители энергии - 14-мэвные нейтроны - отдают ее бланкету, сильно нагревая его. В бланкете находятся теплообменники, по которым пропускают воду. Полученный пар вращает паровую турбину, а она - ротор генератора. Так могла бы в общем виде выглядеть схема термоядерной электростанции.
До электрогенератора в ИТЭРе дело пока еще не дойдет (хотя здесь и нет принципиальных трудностей), но эксплуатация реактора позволит прояснить детали процесса, необходимые для постройки термоядерной электростанции.
Каждый участник проекта взял на себя часть немалого финансового бремени и создал свою, как ее назвали, домашнюю команду, которая имела особое задание. При этом нужно помнить, что технический проект реактора - это не только рулоны чертежей, вернее, не только бессчетные компьютерные файлы. Практически это первый глобальный проект, созданный в "электронном виде". Большинство решений принималось впервые и требовало экспериментальной проверки. Поэтому прототипы почти всех узлов были изготовлены, исследованы, одобрены экспертами и лишь после этого вошли в проектную документацию. Так что, как говорится, дело за малым - остается из нескольких предложений (Франция, Япония, Канада) выбрать строительную площадку, распределить доли финансовых затрат между участниками и построить ИТЭР в течение ближайших восьми лет - таковы расчетные темпы строительства. Ну а дальше - новые поиски, исследования, испытания. И в итоге - проект опытно-промышленной термоядерной электростанции (ТЯЭС), на которой станут отрабатываться все вопросы получения энергии для будущих поколений человечества. Другой энергетики пока не предвидится.
ЕСЛИ БЫ ВО ВРЕМЕНА ПУШКИНА...
Если бы во времена Пушкина сказать людям, что через несколько десятилетий в их дома по тонким металлическим ниткам придет какое-то электричество и зажжет яркие лампы вместо свечей, этому вряд ли кто-нибудь поверил. А ведь именно так и случилось - уже в конце XIX века электричество стало реальной работающей силой, хотя незадолго до этого даже образованные граждане считали его не более чем предметом лабораторных фокусов. Лишь немногим больше столетия отделяет эту справедливую по тем временам репутацию от нынешних мощнейших электростанций и покрывших планету электрических сетей, от электропоездов, дуговых металлургических печей, телефона и телевидения. Что-то похожее может произойти и со столь нужным человечеству неисчерпаемым источником энергии - управляемым термоядерным синтезом, УТС.
Есть верный признак того, что дело УТС движется к успеху - в мировой прессе стали появляться публикации о приоритете, в частности о том, кто первый придумал добывать энергию из горячей плазмы. В связи с этим уместно вспомнить, что первый документ с описанием подобной идеи - письмо служившего на Дальнем Востоке сержанта Олега Александровича Лаврентьева (ныне доктор физико-математических наук, работает в Харьковском физико-техническом институте), которое он в 1949 году отправил Сталину. В письме несколько наивно, но в принципе разумно предлагалось получать термоядерную энергию, удерживая плазму с помощью полей, правда не магнитных, а электрических. Письмо переслали профессионалам, уже занимавшимся проблемой термояда. А. Д. Сахаров впоследствии подтвердил приоритет оригинальности идей самодеятельного физика о возможности мирного использования термоядерных реакций.
Если перевести взгляд из прошлого в будущее, то придется честно отметить, что, по прогнозам, управляемый термояд еще 20-30 лет будет оставаться предметом исследований, экспериментальных установок, проектов и популярных статей в газетах и журналах. Но, по прогнозам же и даже по просчитанным планам, через несколько десятилетий термояд должен стать работающей реальностью.
Символом УТС можно считать картину, обошедшую когда-то многие издания. На берегу океана (моря, озера, реки) стоит электростанция, топливом для которой служит вода. Именно вода: в некоторой части ее молекул вместо водорода всегда есть тяжелый водород - дейтерий, необходимый для реакций синтеза. Расход воды невелик - несколько цистерн могут сутки кормить электричеством большой город, такой, скажем, как Рязань, Одесса или Бостон. (Еще раз напомним наглядный пример: при "сжигании" дейтерия, содержащегося в литре воды из крана, выделяется столько же энергии, сколько ее имеется в 400 литрах бензина.) Да и то реально расходуется лишь ~0,016% всей массы воды (атомы дейтерия), а остальные ~99,84% возвращаются в водоем. Полное же количество дейтерия в океане составляет около 4.1013 тонн. Его хватит для производства 1020 киловатт-лет электроэнергии. Так что, похоже, человек нашел для себя безвредный и практически неисчерпаемый энергетический источник. Но, конечно, нашел не так, как дрова, нефть или уголь, не наткнулся случайно. Физики выявили этот источник, высмотрели его у природы, извлекли из полной неясности и неизвестности, прорисовав важнейшие детали в нашей картине мира.
Картина мира, открытая наукой, особенно физикой последнего столетия, - величайшее достижение человеческого разума, изменившее все наше миропонимание. Поэтому вполне справедливо известное "что-то физики в почете", тем более, что именно физики первыми встали стеной против смертельно опасного "что-то лирики в загоне". И вот еще что примечательно - пребывание в мире высоких материй удивительным образом сочетается у физиков с умением извлекать из них практические результаты, то, что реально работает на человека. Именно из физики пришли к нам персональные компьютеры и идеи генетического кода, гигантские воздушные лайнеры, понимание механизмов кровоснабжения и цветные телевизоры. Сегодня на наших глазах, взяв на себя главную заботу и главную ответственность, физика небыстро, но планомерно, шаг за шагом, продвигается к решению еще одной задачи, жизненно важной для человека и человечества, - к созданию энергетического изобилия.
Подробности для любознательных
МАГНИТНАЯ СИСТЕМА ИТЭР
Для магнитного удержания плазмы служат 18 обмоток тороидального поля (ОТП). Управляют положением и формой плазменного шнура 6 обмоток полоидального поля (ОПП) и набор корректирующих катушек. Индуктивное наведение тока в плазме осуществляется с помощью центрального соленоида (ЦС). Обмотки тороидального поля и центрального соленоида выполнены из сплава Nb3Sn, полоидально го поля и корректирующих катушек - из NbTi; все они охлаждаются жидким гелием до температуры 4,5 К. Общий вес магнитной системы вместе с каркасом из нержавеющей стали - 8700 тонн.
В апреле 2000 года при испытании магнитной системы на стенде было получено поле с индукцией 13 тесла при токе 46 килоампер и с запасенной энергией 640 мегаджоулей. Катушки-вставки центрального соленоида в этом поле успешно выдержали 10 тысяч циклов заряд-разряд при подъеме поля со скоростью 0,4 Тл/с и его снижении 1,2 Тл/с, что превышает проектные значения для ИТЭРа. Именно прогресс в технике сверхпроводников и позволил осуществить сам этот реактор.
ГЕЛИЙ И БЕЗНЕЙТРОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
В качестве одного из перспективных направлений энергетики будущего специалисты рассматривают безнейтронные реакции синтеза, проходящие с участием изотопа гелия 3He:
3He + 3He → 4He + 2p + 12,8 МэВ,
3He + D → 4He + p + 8,35 МэВ.
Эти реакции не сопровождаются появлением потока нейтронов высокой энергии, и, следовательно, реакторы для их проведения будут проще, легче и безопаснее из-за отсутствия наведенной радиоактивности в конструкциях. Однако здесь есть одно "но": 3He на Земле практически не встречается.
Природный гелий состоит из смеси двух изотопов - 4He и 3He, причем на долю последнего приходится только 0,000138%. Такое в высшей степени неравномерное распределение связано с тем, что 4He образуется при альфа-распаде урана (U), тория (Th) и других природных радионуклидов (напомним, что альфа-частица и есть ядро гелия). В тонне гранита, содержащей около трех граммов урана и пятнадцати граммов тория, образуется только миллиграмм 4He почти за восемь миллионов лет. Однако за время существования Земли в коре планеты его накопилось немало. Природные газы содержат до 7% этого изотопа и служат единственным источником его промышленной добычи. А так называемый гелиевый метод - отношение масс He/(U + Th) в минералах - используется для определения их абсолютного возраста.
Изотоп 3He появляется в результате бета-распада (реакция, при которой ядро испускает электрон и нейтрино, меняя заряд на единицу) трития
13T → 23He + e- + 
или при слияии двух атомов дейтерия
D + D → 3He + n.
Так как дейтерия на Земле в целом мало, а трития практически нет вообще, то и 3He обнаруживается в мизерных количествах. Зато на поверхности космических тел, лишенных атмосферы, где проходят интенсивные реакции с потоками солнечных нейтронов высокой энергии, этот изотоп образуется весьма активно. В метеоритном веществе и в лунных породах его содержание колеблется от 17 до 32%. Уже подсчитано, что в обозримом будущем станет экономически выгодно добывать 3He на Луне и доставлять его на Землю для использования в термоядерных реакторах синтеза.
ЛИТЕРАТУРА
В журнале "Наука и жизнь" о ТОКАМАКах были опубликованы статьи:
Плотников А."Термояд" в плазменном шнуре. - № 3, 1971 г.
"ТОКАМАК-7" - еще один шаг к реактору . - № 3, 1980 г.
Александров А., докт. физ.-мат. наук, Елесин Е., доктор физ.-мат. наук. Лед и пламень. - №№ 11, 12, 1987 г.
Панкратов С. ТОКАМАК - новый шаг. - № 4, 1989 г.
