Техника - молодёжи 1991-12, страница 8

Научное обозрение

Андрей МЕЛЬНИЧЕНКО,

наш спец. корр.

Лазерные микрозвезды

зажигают

Это нужно, чтобы заработал

ТОКАМАК ВЕЛИЧИНОЙ С МИКРОН

Как ни стремятся разработчики снижать габариты и вес своих конструкций, в каких-то случаях это просто упирается в принципиальные ограничения. Очень трудно, например, избежать «гигантизма» при создании мощных энергосиловых установок. В подобных случаях могут помочь только принципиально новые научно-технические решения. Однако вот, казалось бы, пример именно такого решения в области «большой энергетики»: термоядерные реакторы-токамаки. Между тем даже экспериментальные установки этого тица уже стали настоящими монстрами энергетической индустрии (см. № 7 за 1989 г. и № 11 за 1990 г.).

Но что делать? Их размеры нельзя существенно уменьшить прежде всего по условиям теплообмена: иначе они, попросту говоря, будут быстро остывать (см. № 5 за 1991 г.). Кроме того, их магнитные системы должны быть чрезвычайно мощными, а значит —очень большими и тяжелыми. По оценкам, вес медных обмоток проектируемого сейчас OTP (опытного термоядерного реактора) составит около 10 тыс. т, и даже использование сверхпроводимости позволит снизить затраты меди лишь в два раза. А обмотки настоящей промышленной установки «потянут», страшно сказать, и на 100 тыс. т. И таких реакторов потребуются десятки, если не сотни! Легко ли будет найти столько меди?

Мало того: нужна еще и механическая защита магнитных катушек от разрыва — стальной бандаж, а также радиационная зашита и теплоизоляция. Наконец, весьма громоздки и многочисленные устройства нагрева и сжатия плазмы, которые еще и сами требуют огромного количества энергии.

Эти и другие технологические особенности препятствуют созданию компактных термоядерных установок по схеме токамак. Поста

вить подобный реактор, например, на борту корабля, космического аппарата и т.д. — нечего и мечтать.

Как видим, многие трудности здесь определяются самим методом удержания плазмы —с помощью магнитного поля. Что же, есть и другой достаточно перспективный метод — лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Он предусматривает нагрев и сжатие совсем небольшой, всего в несколько миллиметров, мишени лазерными лучами.

Термоядерная мишень представляет собой полый стеклянный или металлический шарик, заполненный газообразным тритием и (или) дейтерием, либо «тяжелым льдом» — замерзшей тяжелой водой. Мощные импульсы нескольких десятков лазеров бьют по мишени одновременно с разных сторон. В результате ее оболочка бурно испаряется и возникает так называемая корона. Скорость движения плазмы, стремительно разлетающейся во все стороны, — около 100 км/с. При этом согласно закону сохранения количества движения внутренние слои испарившейся оболочки и мишени (со скоростью порядка 1 км/с) движутся к центру, сжимаясь и нагреваясь до температуры термоядерного синтеза.

При нужной плотности энергии в луче все описанные процессы происходят за миллионные доли секунды. Температура плазмы составляет здесь десятки миллионов градусов и более, что сравнимо лишь с условиями в недрах звезд и тех же токамаках. Диаметр подобных «микрозвезд» — порядка 0,1 мм.

Ясно, что все это возможно лишь при строго равномерном нагреве мишени с разных сторон, а значит, подобные установки требуют точнейшего фокусирования лазерных лучей. Такая точность вполне достижима. Но хотя сжать плазму и создать нужную температуру тут удается практически мгновенно,

время удержания пока недостаточно для зажигания термоядерной реакции.

Возникает естественное желание: объединить достоинства обоих методов, то есть создать компактный гибридный реактор, сочетающий лазерный нагрев плазмы и магнитное удержание. Мысль, конечно, прекрасная, остается «самая малость»: подвести поле с огромной плотностью энергии к крошечной мишени.

Оценки показывают, что традиционные методы здесь бессильны. Значит, как уже говорилось, нужно искать принципиально новые решения. А они обычно рождаются на основе новых физических эффектов. И вот совсем недавно подходящий эффект нашелся: в лазерной плазме обнаружены... собственные магнитные поля.

Это явление было открыто и изучено в Институте общей физики АН СССР (ИОФАН) В.В.Коробкиным и Р.В.Серовым, к которым позже присоединился Г.А. Аскарьян.

Исследуя поведение лазерных микрозвезд, авторы открытия установили, что если для их зажигания используется единственный лазерный луч, подобные звезды живут дольше, чем предсказывает теория. Таинственная сила удерживает плазму лишние миллионные доли секунды.

Чем объяснить задержку? Ход мыслей исследователей был вполне естественным. Они хорошо знали, что в плазме какое-то время сама собой удерживается ее электронная компонента. Хотя скорость электронов в десятки тысяч раз превышает ионную, разлететься быстрее, чем ионы, они не могут. Этому препятствуют мощные электрические силы, которые, конечно, сразу же возникают при разделении зарядов и тянут электроны обратно «в общую кучу». По аналогии родилась гипотеза: не появляются ли в

6