Термоядерная установка
Ученые нашей страны и большинства развитых стран мира уже много лет занимаются
Проблемой использования термоядерных реакций для целей энергетики. Созданы
Уникальные термоядерные установки - сложнейшие технические устройства,
Предназначенные для изучения возможности получения колоссальной энергии, которая
Выделяется пока лишь при взрыве водородной бомбы. Ученые хотят научиться
Контролировать ход термоядерной реакции - реакции соединения тяжелых ядер водорода (дейтерия и трития) с
Образованием ядер гелия при высоких температурах, - чтобы использовать
Выделяющуюся при этом энергию в мирных целях, на благо людям.
В литре водопроводной воды содержится совсем немного дейтерия. Но если этот
Дейтерий собрать и использовать как топливо в термоядерной установке, то можно
Получить энергии столько, сколько от сжигания почти 300 килограммов нефти. А для
Обеспечения энергией, которую сейчас получают при сжигании обычного топлива,
Добываемого за год, потребовалось бы извлечь дейтерий из воды, содержащейся в
Кубе со стороной всего 160 метров. Одна река Волга ежегодно несет в Каспийское
Море 60 000 кубов воды.
Для осуществления термоядерной реакции необходимо соблюдение нескольких условий.
Так, температура в зоне, где происходит соединение тяжелых ядер водорода, должна
Составлять примерно 100 миллионов градусов. При такой огромной температуре речь
Идет уже не о газе, а о плазме. Плазма - это такое состояние вещества, когда при
Высоких температурах газа нейтральные атомы теряют принадлежащие им электроны и
Превращаются в положительные ионы. По-другому, плазма - смесь свободно
Движущихся положительных ионов и электронов. Второе условие состоит в
Необходимости поддерживать в зоне реакции плотность плазмы не ниже 100 тысяч
Миллиардов частиц в кубическом сантиметре. И, наконец, главное и самое трудное,
- надо удержать ход термоядерной реакции хотя бы не меньше одной секунды.
Рабочая камера термоядерной установки - тороидальная, похожа на огромный
Пустотелый бублик. Она заполнена смесью дейтерия и трития.
Внутри самой камеры создается плазменный виток - проводник, по которому
Пропускают электрический ток силой около 20 миллионов ампер.
Электрический ток выполняет три важные функции Во-первых, он создает плазму. Во-
Вторых, разогревает ее до ста миллионов градусов. И, наконец, ток создает вокруг
Себя магнитное поле, то есть окружает плазму магнитными силовыми линиями. В
Принципе силовые линии вокруг плазмы должны были бы удержать ее в подвешенном
Состоянии и не дать плазме возможность соприкоснуться со стенками камеры Однако
Удержать плазму в подвешенном состоянии не так просто. Электрические силы
Деформируют плазменный проводник, не обладающий прочностью металлического
Проводника. Он изгибается, ударяется о стенку камеры и отдает ей свою тепловую
Энергию. Для предотвращения этого поверх тороидальной камеры надевают еще
Катушки, создающие в камере продольное магнитное поле, оттесняющее плазменный
Проводник от стенок Только и этого оказывается мало, поскольку плазменный
Проводник с током стремится растянуться, увеличить свой диаметр. Удержать
Плазменный проводник от расширения призвано также магнитное поле, которое
Создается автоматически, без посторонних внешних сил. Плазменный проводник
Помещают вместе с тороидальной камерой еще в одну камеру большего размера,
Сделанную из немагнитного материала, обычно меди. Как только плазменный
Проводник делает попытку отклониться от положения равновесия, в медной оболочке
По закону электромагнитной индукции возникает индукционный ток, обратный по
Направлению току в плазме. В результате появляется противодействующая сила,
Отталкивающая плазму от стенок камеры.
Удерживать плазму от соприкосновения со стенками камеры магнитным полем
Предложил в 1949 году А. Д. Сахаров, а немного позже американец Дж. Спитцер.
В физике принято давать названия каждому новому типу экспериментальных
Установок. Сооружение с такой системой обмоток именуется тока-маком - сокращение
От "тороидальная камера и магнитная катушка".
В 1970-е годы в СССР была построена термоядерная установка, названная "Токамак-
10". Ее разработали в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. На этой
Установке получили температуру плазменного проводника 10 миллионов градусов,
Плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре и
Время удержания плазмы близко к 0,5 секунды. Крупнейшая на сегодня в нашей
Стране установка "Токамак-15" также построена в московском научном центре
"Курчатовский институт".
Все созданные термоядерные установки пока лишь потребляют энергию на разогрев
Плазмы и создание магнитных полей Термоядерная установка будущего должна,
Наоборот, выделять столько энергии, чтобы небольшую ее часть можно было
Использовать для поддержания термоядерной реакции, то есть подогрева плазмы,
Создания магнитных полей и питания многих
Вспомогательных устройств и приборов, а основную часть - отдавать для
Потребления в электрическую сеть
В 1997 году в Великобритании на токамаке JET достигли совпадения вложенной и
Полученной энергии Хотя и этого, конечно, недостаточно для самоподдержания
Процесса до 80 процентов полученной энергии теряется.
Для того чтобы реактор работал, необходимо производить энергии в пять раз
Больше, чем тратится на нагревание плазмы и создание магнитных полей
В 1986 году страны Европейского союза вместе с СССР, США и Японией решили
Совместными усилиями разработать и построить к 2010 году достаточно большой
Токамак, способный производить энергию не только для поддержания термоядерного
Синтеза в плазме, но и для получения полезной электрической мощности. Этот
Реактор назвали ITER, аббревиатура от - "международный термоядерный
Экспериментальный реактор" К 1998 году удалось завершить проектные расчеты, но
Из-за отказа американцев в конструкцию реактора пришлось вносить изменения,
Чтобы уменьшить его стоимость
Можно позволить частицам двигаться естественным образом, а камере придать форму,
Повторяющую их траекторию. Камера тогда имеет довольно причудливый вид. Она
Повторяет форму плазменного шнура, возникающего в магнитном поле внешних катушек
Сложной конфигурации Магнитное поле создают внешние катушки гораздо более
Сложной конфигурации, чем в токамаке Устройства подобного рода называют
Стеллараторами В нашей стране построен торсатрон "Ураган-ЗМ". Этот
Экспериментальный стелларатор рассчитан на удержание плазмы, нагретой до десяти
Миллионов градусов.
В настоящее время у токамаков появились и другие серьезные конкуренты,
Использующие инерциальный термоядерный синтез В этом случае несколько
Миллиграммов дейтерий-тритиевой смеси заключают в капсулу диаметром 1-2
Миллиметра На капсуле фокусируют импульсное излучение нескольких десятков мощных
Лазеров. В результате капсула мгновенно испаряется. В излучение надо вложить 2
МДж энергии за 5-10 наносекунд. Тогда световое давление сожмет смесь до такой
Степени, что может пойти реакция термоядерного синтеза. Выделившаяся энергия при
Взрыве, по мощности эквивалентного взрыву ста килограммов тротила, будет
Преобразовываться в более удобную для использования форму - например в
Электрическую. Экспериментальная установка такого типа (NIF) строится в США и
Должна начать работать в 2010 году.
Однако строительство стеллараторов и установок инерциального синтеза также
Наталкивается на серьезные технические трудности. Вероятно, практическое
Использование термоядерной энергии вопрос не ближайшего будущего
