Техника - молодёжи 1989-07, страница 30

При звездной

или комнатной температуре

осуществится ядерный синтез?

В № 4 за 1987 год мы опубликовали интервью с академиком Б. Б. Кадомцевым о состоянии работ по термоядерному синтезу. За прошедшие два с лишним года в этой области можно отметить новые сдвиги. Набирают силы построенные недавно в ряде стран токомаки последнего поколения, все ближе подходя к долгожданному «зажиганию» термоядерной реакции. Решаемые здесь проблемы все больше приобретают инженерный, практический характер. Но главное — сенсационные сообщения об экспериментах по холодному ядерному синтезу. Хотя их результаты до сих пор не получили однозначной оценки, невольно возникает вопрос, не появилась ли альтернатива термоядерной энергетике, не пора ли пересмотреть намеченные пути ее развития? Публикуемые ниже статьи — попытки ответить на этот вопрос.

Термояд: пути и перепутья

Сергей ПОПОВ.

кандидат физико-математических наук

Мы привычно говорим о термоядерном синтезе, как о перспективном источнике энергии. Но вот вопрос: не слишком ли долго он остается всего лишь «перспективным»? Ведь сложилась парадоксальная ситуация: на энергии деления ядер урана уже давно работают атомные электростанции, тогда как управляемый синтез легких ядер не дает положительного баланса энергии. Между тем последний процесс открыли на четыре года раньше, чем первый в 1934 году в лаборатории Э. Резерфор да был проведен синтез ядер дейтерия с получением трития. А уже через несколько лет теоретики нашли подходящие ядерные процессы, объясняющие механизм «горения» звезд, который так долго был неразрешимой загадкой Значит, роль термоядерной реакции, как возможного источника огромных количеств энергии, была осознана давно. Какие же трудности стояли и стоят на пути к овладению этим источником?

Решающий выбор

Главная причина устойчивости звезд ных термоядерных реакций — громадные размеры реакторов, да и времена циклов реакций исчисля^ртся миллионами лет. Как же в наших ограниченных масштабах сотворить подобное?

В 1945 году на далеком Сахалине у неизвестного научной общественности военнослужащего, учащегося вечерней средней школы Олега Лаврентьева блеснула дерзновенная идея, которая

сулила создание искусственного земного солнца. Как писал сам Олег Александрович, он «сформулировал принцип тепловой изоляции электрическим полем полностью ионизированного газа с целью промышленной утилизации термоядерных реакций» и не долго думая направил предложение прямо в адрес И. В Сталина. Письмо, посланное в 1949 году, осталось без ответа, но повторное предложение в ЦК ВКП(б) сработало мгновенно. Смелый проект был переправлен в Физический институт АН СССР (ФИАН) академику И. Е. Тамму, который вместе со своим молодым сотрудником Андреем Сахаровым, в то время кандидатом физико-математических наук, как раз занимался той же проблемой. Вскоре сходные предложения были выдвинуты и в США (Л. Спитцер).

Рассмотрев ряд вариантов, И. Е. Тамм с сотрудниками довольно быстро остановились на идее удержания плазмы в тороидальном объеме. В 1954 году эта идея, оказавшаяся весьма плодотворной, была воплощена в Институте атомной энергии (ИАЭ). Появилась первая исследовательская термоядерная установка токамак. Впоследствии А Д Сахаров, уже академик, засвидетельствовал: «Подтверждаю, что в июне или июле 1950 г я рецензировал работу О. А. Лаврентьева... Ознакомление с работой Лаврентьева послужило толчком, способствующим ускорению моей совместной с И. Е. Таммом работы по магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы»

А что же сам Лаврентьев? После окончания МГУ, будучи сотрудником Харьковского физико-технического института, Олег Александрович завершил разработку своего варианта электро

магнитной ловушки горячей плазмы — хотя и менее удачной, но, несомненно, интересной.

Первую прямолинейную магнитную ловушку, которую так и назвали — «прямотрон», быстро отвергли, ибо расчеты показали, что ее длина должна достигать десятков километров. Правда, возникла идея: закрыть концы «пря-мотрона» магнитными «пробками» (у американцев они назывались «магнитными зеркалами»), отбрасывающими заряженные частицы обратно в зону удержания. Это помогло: длина установок сократилась до десятков метров. И все же абсолютного запирания достичь таким путем не удалось ни в «пробкотроне», ни в родственной ему электромагнитной ловушке О А Лаврентьева, хотя эти установки оказались прекрасным инструментом исследования горячей плазмы.

Вот тогда-то и решили опробовать другую идею—согнуть «прямотрон», свести у него концы, образовав тороид. В этом случае замкнутся и силовые линии магнитного поля, заряженные частицы плазмы начнут двигаться по ним внутри тороида, ядра будут попарно сталкиваться и сливаться, осуществляя элементарные термоядерные реакции

Но действительность оказалась сложнее. Выяснилось, что в тороидальном поле частицы за каждый оборот будут смещаться из области более сильной напряженности (внутренний периметр торонда) в область слабой напряженности (внешний периметр) и вся плазма «вывалится» на внешнюю стенку, не успев разогреться до термоядерных температур.

Правда, выход быстро нашли: для удержания плазмы в равновесии силовые линии ее магнитного поля надо завить по спирали. Такую конфигурацию, названную полем с вращательным преобразованием, еще в 1928 году исследова. I И Е Тамм в своей классической монографии «Основы теории электричества». Двадцать лет спустя эта работа сыграла историческую роль и стала одной из основ теории токама-ков Вот ее суть.

Рассмотрим магнитное поле прямолинейного тока, силовые линии которого представляют замкнутые окружности в плоскости, перпендикулярной этому току. Пусть второй ток течет по силовым линиям первого. Ясно, что в сумме они образуют магнитное поле, у которого силовые линии завиты по спиральной кривой, лежащей иа поверхности воображаемого тороида. Оказалось, что именно в таком поле можно обеспечить равновесие плазмы.

Дело в том, что соотношение величин двух токов управляет шагом такой спи рали. При целочисленном шаге витки силовых линий уткнутся друг в друга, и получится резонансное поле, в котором частицы продержатся лишь ограниченное время. Но зато когда шаг винта не целочисленный, ни одна силовая линия не замкнется, а будет до бес

28