В науке уже много лет разрабатывается проблема использования для
целей энергетики термоядерных реакций как гигантских источников энергии.
Созданы уникальные термоядерные установки - сложнейшие технические
устройства, предназначенные для изучения возможности получения
колоссальной энергии, которая выделяется пока лишь при взрыве водородной
бомбы. Ученые стремятся научиться контролировать ход термоядерной
реакции - реакции соединения (синтеза) изотопов водорода (дейтерия и
трития) с образованием ядер гелия при высоких температурах, чтобы
использовать выделяющуюся при этом энергию в мирных целях, на благо
людям. О величине термоядерной энергии можно судить по такому сравнению:
вступление в синтез 1 г изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 т
бензина.
Для осуществления термоядерной реакции необходимо несколько условий.
Температура в зоне, где происходит термоядерный синтез, должна быть
примерно 100 млн. градусов. При такой температуре реагирующее вещество
превращается в плазму - ионизированный газ, смесь положительных ионов и
электронов. Необходимо также, чтобы при синтезе выделялось больше
энергии, чем затрачивается на нагрев вещества, или, чтобы рождающиеся
при синтезе быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру
горючего. Для этого нужно, чтобы вступающее в синтез вещество было
надежно теплоизолировано от окружающей и, естественно, холодной среды,
т. е., чтобы время удержания энергии было достаточно велико (не менее 1
с). Время удержания энергии зависит от плотности реагирующего вещества:
в зоне реакции следует поддерживать плотность плазмы не ниже 100 тыс.
млрд. частиц в 1 см3.
Наиболее близко к условиям, требуемым для управляемого термоядерного
синтеза, удалось подойти с помощью установок Токамак, созданных
советскими физиками. Название установки произошло от сокращения слов:
Тороидальная Камера с Магнитными Катушками.
На рабочую вакуумную камеру Токамака, имеющую тороидальную
(кругообразную) форму (см. рис.), надеты катушки, создающие сильное
(несколько тесла) тороидальное магнитное поле. Камера с катушками
ставится на железное ярмо и служит как бы вторичным витком
трансформатора. При изменении тока в первичной обмотке, намотанной на
ярмо, в камере образуется вихревое электрическое поле, происходит пробой
и ионизация рабочего газа, заполняющего камеру, и возникает тороидальный
плазменный шнур с продольным электрическим током. Этот ток нагревает
плазму, а его магнитное поле вместе с полем катушек теплоизолирует
плазму от стенок.
Схема устройства Токамака
Токамак-10
Противоположно направленные токи отталкиваются, поэтому плазменный
виток стремится увеличить свой диаметр. Для компенсации этого
отталкивания в Токамаке имеются особые управляющие витки, создающие
магнитное поле, перпендикулярное плоскости тора.
В результате взаимодействия этого поля с током в шнуре возникает
радиальная сила, удерживающая плазменный виток от расширения. Ток в
витках регулируется специальной автоматической системой, контролирующей
движение плазменного шнура.
Электрическое сопротивление плазмы с ростом температуры не растет, как у
других веществ, а падает, и при заданном токе уменьшается нагрев шнура.
Если же увеличить ток в Токамаке выше некоторого предела, то магнитное
поле тока станет слишком большим по сравнению с тороидальным полем
катушек, шнур начнет извиваться и выбросится на стенку. Поэтому для
нагрева плазмы до температуры выше 10 млн. градусов в Токамаке
используют дополнительные методы нагрева с помощью инжекции (ввода) в
плазму пучков быстрых атомов или введения в камеру высокочастотных
электромагнитных волн. В этом случае плазму в Токамаке уже удалось
нагреть до 70 млн. градусов.
Большой вклад в разработку систем Токамак внес коллектив советских
ученых под руководством академика Л. А. Арцимовича, который первым начал
проводить экспериментальные исследования этих установок в Институте
атомной энергии имени И. В. Курчатова. В 1968 г. в этом институте была
впервые получена физическая термоядерная реакция.
С начала 1970-х гг. системы Токамак стали играть ведущую роль в
исследованиях по управляемому синтезу и в других странах мира - США,
Франции, Италии, Великобритании, ФРГ, Японии. В нашей стране создана
крупнейшая установка этого типа - Тока-мак-10.
Овладение термоядерной энергией - важная задача науки и техники. Трудно
даже представить, как изменятся с построением и использованием
термоядерных электростанций вся энергетика, энергетические системы,
целые отрасли производства.
