Техника - молодёжи 1991-06, страница 15

дут расщепляться с выделением энергии — как в существующих АЭС. Один из недостатков такой реакции — образование радиоактивных продуктов, опасных для биосферы. И даже без использования урана нейтроны, облучая установку, создают радиоактивность.

Возможны и^экологически чистые реакции синтеза, не порож-. дающие нейтронного излучения, например — слияние ядер дейтерия и гелия-3 (нерадиоактивного изотопа) с получением обычного гелия и протонов. Здесь в принципе можно обойтись вообще без теплового цикла, зато требуется температура уже около 700 млн. градусов (см. «ТМ» № 11 за 1990 год). Другой вариант — синтез бора и водорода при температуре 500 млн. градусов, дающий в итоге три ядра гелия-4. Эта реакция реализована и изучена на ускорителях — при облучении пучком протонов мишени из бора. Но в этом случае почти вся энергия тратится на ионизацию атомов бора, и лишь немногие протоны вызывают реакцию. Повторим: термоядерный синтез с «положительным сальдо» энергии возможен только в горячей плазме. А ее надо удерживать, хранить в каком-то подходящем сосуде.

Итак, нужна «бутылка» для вещества с температурой в десятки и сотни миллионов градусов (да еще и с давлением до 100 ат), причем служить она должна не меньше 20 лет. Задача очень напоминает известный случай, когда некий горе-изобретатель предложил Эдисону идею универсального растворителя. Тот сразил его наповал единственным вопросом: «В чем вы собираетесь его хранить?»

Правда, что касается горячей плазмы, природа уже миллиарды лет назад нашла для ее удержания прекрасный «материал» — гравитационное поле. Именно благодаря ему идут устойчивые термоядерные реакции в звездах. Однако силы гравитации достаточно велики только для астрономических масс и размеров, к тому же управлять ими мы пока не умеем.

Тогда почему бы не взять поле другой природы — магнитное, которое уже вполне успешно работает в современной технике? Применяют, например, магнитную подвеску вращающихся частей,

резко снижающую трение. Еще ближе к нашей задаче один из способов получения сверхчистых металлов: чтобы их не загрязнял материал тигля, небольшие капли расплава «подвешивают» в переменном электромагнитном поле.

Но для хранения плазмы такой способ все же не годится, ведь поле удерживает каплю лишь как единое целое, а от растекания ее охраняют другие силы —поверхностного натяжения. У такого поля довольно большие «отверстия» и «щели», то есть оно напоминает скорее не бутылку, а сетку или корзину. При этом силы поверхностного натяжения существуют только у жидкости. Уже у газа, а тем более у плазмы вообще нет никакой поверхности. Так что у настоящей магнитной бутылки все дыры в стенках должны быть заделаны или по крайней мере резко уменьшены.

И тут нам предстоит отказаться от самых привычных представлений. Поле —не вещество, его физические свойства принципиально иные. К нему нельзя подходить как к обычному строительному материалу. Форму изделия из вещества всегда можно изменить в любом нужном месте: создать выпуклость, заделать отверстие, припаять патрубок и т.д. Причем нам кажется вполне естественным, что другие участки изделия от этого нисколько не меняются. Но с магнитным полем все иначе! Надо усилить его в каком-то месте — увеличиваем ток в катушке, —а поле меняется не только там, где нам нужно, но и рядом. Кроме того, магнитное поле — величина векторная, а это значит, что, увеличивая его в заданном направлении, мы неизбежно создаем поле и поперек этого направления. Хочешь улучшить его в одном месте — оно портится в другом: настоящий Тришкин кафтан!

Насколько необычен исходный материал нашей бутылки, настолько и ее собственные свойства резко отличаются от привычной нам посуды.

Если объем воды в стакане четко ограничен стенками и открытой поверхностью, то у плазмы в магнитном сосуде этого может и не быть. Ведь, например, у атмосферы Земли тоже нет резкой границы с космосом —ее плотность (или

давление) плавно спадает практически до нуля. Можно говорить только об условной границе — там, где давление равно какой-то определенной величине. Например, самолет не может летать выше 20 — 25 км — это его «потолок», граница высоты, хотя и над ней воздух имеется. Столь же условны и границы плазмы, которые определяются так называемыми магнитными поверхностями. Поясним это понятие.

Заряженные частицы быстро «растекаются» вдоль силовых линий магнитного поля, по всей их длине, но очень медленно движутся в поперечном направлении. А каждая силовая линия обычно располагается на какой-то воображаемой поверхности. Это и есть магнитная поверхность. Как ясно из сказанного, она очень слабо проницаема для плазмы и поэтому может считаться ее границей.

Структура поля в магнитной посуде любой формы представляет собой множество таких поверхностей, вложенных друг в друга, как матрешки. Но это значит, что наша бутылка... не имеет определенной емкости! Ведь у нее не одна четко выраженная стенка, а бесконечное множество условных стенок. По какой из них пройдет столь же условная граница плазмы? Это зависит от многих факторов, в том числе, например, от способа заполнения бутылки. Итак, в магнитный сосуд можно влить и рюмку, и ведро —и все будет «до краев».

В то же время определенную форму такие безразмерные сосуды имеют. В большинстве установок для УТС конфигурация поля тороидальная (токамаки, стеллара-торы), но есть и прямые магнитные ловушки, с дырками на обоих концах, которые затыкаются специальными «пробками», построенными из переменных магнитных полей.

А как ведет себя содержимое магнитных бутылок — высокотемпературная плазма? С одной стороны, работать с ней физики, в общем, научились, хотя стоило это тяжких трудов. С другой —здесь до сих пор не решено множество важных экспериментальных и теоретических проблем.

Взять тот же «разлив». Чтобы пояснить связанные с ним труд

13