Техника - молодёжи 1990-11, страница 16

ИТАК — ТОКАМАК ИЛИ СТЕЛЛАРАТОР?

Разберемся в достоинствах и недостатках той и другой системы. На р и с. 4 схематически изображено поперечное сечение тороидальной камеры — общее для реакторов обоих типов. Большой радиус R отсчиты-вается от главной оси тороида (штрих-пунктирная линия) до оси плазменного шнура «О». Величиной радиуса шнура считается его среднее значение Я

Как в токамаках, гак и в стелла-раторах существует общая трудность: отношение R/a, называемое аспектным числом, должно быть минимальным. В этом случае плазменный шнур устойчив, а реакция наиболее экономична. Вот почему при заданном среднем радиусе плазменного шнура стараются предельно уменьшить R. В ИТЭРе, например, при а = 2 м R = = 6 м. Но этого удалось достичь, лишь отказавшись от бланкета внутренней части и уменьшив слой радиационной защиты соленоида. Сколь оправдана такая «жертва», покажут будущие исследования.

В стеллараторе, кроме того, необходимо сделать минимальным расстояние от поверхности плазменного шнура до устройств, создающих винтовое магнитное поле (торсатронные обмотки, модульные катушки). В этом случае угол закручивания силовых линий будет наибольшим. А поскольку есть вполне определенный предел уменьшения толщины бланкета и слоя радиационной защиты (из соображений безопасности), то чтобы «загнать» вращательные компоненты магнитного поля в об

к

\

1

\

Р и с. 4. Схема вертикального сечения магнитного термоядерного реактора (общая для токамаков и стеллараторов): 1 — первая стенка. 2 — бланкет. 3 — радиационная защита. 4 — тороидальная обмотка магнитного поля. 5 — плазменный шнур. 6 — индуктор-. R — большой радиус тороида. О — ось плазменного шнура, а — средний радиус плазменного шнура.

ласть плазмы, приходится значительно увеличивать ток в обмотках, и без того очень сильный. Тут имеется определенный выход, о котором речь пойдет дальше.

Существенный недостаток токамаков — импульсная генерация и нагрев плазмы. Поскольку за время* работы реактора должно пройти около 10^ь импульсов (длительностью порядка 5 мин. каждый), то именно столько раз первая стенка будет нагреваться до 200° С и более. Температура, конечно, невелика, но здесь вредна ее постоянная смена. Такой процесс, названный термокачкой, может губительно сказаться на механических свойствах первой стенки.

А стелларатор теоретически может работать непрерывно все 10—20 лет своего ресурса. Конечно, остановки по разным причинам неизбежны, но не миллион же раз!

Есть у токамаков! и еще один значительный недостаток — возможность непредсказуемого срыва плазменного шнура. В этом случае за несколько миллисекунд вся запасенная в плазме энергия (в реакторе — порядка I — 2 ГДж) выделяется на первой стенке, что соответствует взрыву 100—200 кг тротилового эквивалента. Понятно, что такие срывы снижают прочность первой стенки, а кроме того, разрушая, распыляя ее внутреннюю поверхность (хотя бы совсем слабо), вносят в область реакции примеси, охлаждающие плазму. По современным оценкам считается допустимым в среднем не более одного срыва на тысячу циклов за весь период работы реактора. До сих г#)р нет реальных способов борьбы с этим недугом.

В стеллараторе же такой неустойчивости не наблюдается, если силовые линии закручены достаточно сильно (угол поворота — не менее 45°, что вполне достижимо).

Но у создателей стеллараторов есть своя трудная проблема: высокая теплопроводность плазмы в рабочей области параметров. Ведь ясно, что ч^м больше теплопроводность, тем хуже удерживается энергия в плазме, тем труднее достичь условий зажигания. На рис. 5 показано изменение этого параметра (X) в реакторах обоих типов.

Для токамаков теплопроводность плазмы в рабочей (реакторной) обла сти снижается с уменьшением частоты столкновений частиц — великолепное свойство. Со стелларатора ми значительно хуже. Именно в реакторной области на графике возникает «горб» -теплопроводность возрастает на порядок, а значит, можно вообще не войти в режим зажигания. И хотя в ряде работ показано, что «горб» можно значительно снизить, это лишь теоретические соображения; установки, на которой их можно проверить, еще нет.

Итак, недостатков у обоих реакторов достаточно. Видимо, текущее деся-

Р и с. 5. Зависимость коэффициента теплопроводности X плазмы от частоты столкновений частиц v. Непрерывная линия — токамак Пунктирная линия — стелларатор.

тилетие должно внести ясность в эти проблемы, а пока сделать окончательный выбор нельзя.

РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Дейтерий-тритиевый (D-T) реактор, на который сейчас делается ставка, привлекателен по двум соображениям: для зажигания требуется температура «всего» 10⁸ К и нет проблем с ядерным горючим, так как запасы дейтерия в природе практически неисчерпаемы, а недостающий тригий нарабатывается из лития в ходе самой реакции (см. предыдущую статью). А уж если бланкет D-T-реактора делать из урана-238 (так называемый гибридный реактор), одновременно будет нарабатываться плутоний — прекрасное топливо для АЭС.

Сравнительно недавно проблема на этом и кончалась: есть богатейшие энергоресурсы, ля чем же дело стало — надо «вырвать» их у природы и «поставить на службу человечеству». А что касается радиации, то ограничивались утверждением, что термоядерный реактор по сравнению с \ЭС значительно безопаснее с точки зрения возможного загрязнения среды. Отнако трагедия Чернобыля заставила пересмотреть оценки безопасности и для УТС. Выяснилось, что далеко не все так гладко, как казалось 30 лет назад.

Прежде всего не безопасен соленоид реактора. В нем заключена энергия порядка 50 ГДж, а это — 5 т тротилового эквивалента. Не говоря уже о бризантном действии возможного взрыва, основная беда здесь будет связана с выбросом радиоактивных изотопов, образовавшихся в дейтерий-тритиевых реакциях, а также под действием нейтронного излучения,— в бланкетс, в защитном слое соленоида, в первой стенке. Наиболее опасен тритий, которого в реакторе может набраться 5 -20 кг.

Один из путей уменьшения «термо

14