Александр Проценко - Энергия будущего
Можно было утонуть в этом море проблем. За что взяться в первую очередь? И как взяться?
Поучительна история, происшедшая в те годы в Институте атомной энергии. И. Курчатов поручил коллективу одного из отделов составить развернутый план работ. После многодневных бурных дебатов молодые исследователи принесли результат своих трудов в "хижину лесника" - домик на территории института, где жил И. Курчатов. Это был лист ватмана, расчерченный на клетки с записанными в них десятками задач. Не забыли и последовательность их решения.
"Игорь Васильевич посмотрел на клетки, - пишет в своих воспоминаниях его соратник И. Головин, - весело взглянул на присмиревшую взволнованную молодежь, посвистел...
- Шорох орехов, шорох орехов, - сказал он нараспев, - а не план! Знаете, что такое шорох орехов? Нет?
Молодой грузин торгует орехами на базаре и продает их за ту же цену, что платил при покупке. "Зачем так делаешь, что ты от этого имеешь?" спрашивают его. "Люблю шорох орехов", - отвечает незадачливый бизнесмен. Так и вы. Десятки задач, видимость большой работы. А где цель? Где этапы пути к горячей плотной плазме?
- Что вы, Игорь Васильевич, все это нужно, здесь нет ничего лишнего.
- В том и беда этого плана, что в нем все есть.
А в любом деле, как и в жизни, надо выбирать только самое главное. Иначе второстепенное, хотя и нужное, отнимет все силы и не даст дойти до главного. Какой сейчас самый важный этап?.. Вы считаете, что это решение проблемы устойчивости плазмы. Так и исследуйте ее! И не вообще, а в тех условиях, которые, как вы предполагаете, необходимы для достижения цели... Идите, подумайте еще над планом. Встретимся завтра, и я посмотрю, поняли ли вы, что такое шорох орехов".
Удержание плазмы было самым главным. Этому мешала ее неустойчивость, почему и большинство предложений, рожденных в те далекие годы, было направлено на решение этой основной проблемы. Поясним, что это такое.
Чтобы в плазме, разогретой посредством электрического тока, поддерживалась температура, необходимая для протекания термоядерной реакции, нужно исключить ее растекание и контакты со стенками камеры. Пытаться нагреть плазму, соприкасающуюся с ними, все равно что стараться вскипятить воду в сосуде из льда.
Одной идеи сжатия плазмы в шнур магнитным полем, возникающим при течении тока, как это делалось в первых опытах, оказалась недостаточно. Плазма утекала через торцы такого устройства, а неустойчивости приводили к тому, что плазменный шнур распадался. Что же такое неустойчивости и отчего они зависят?
Перетяжка плазменного шнура и сжимание его з нить в одном из мест явление, с которым столкнулись физики-экспериментаторы, - это лишь один пример неустойчивости. Причиной его является неустойчивое равновесие плазмы. Обычно события развиваются так. Из-за случайного малого возмущения в плазме толщина шнура в каком-либо месте становится чутьчуть меньше. Сразу же в этом месте кольцевые магнитные силовые линии, охватывающие шнур, сгущаются, сила их сжатия возрастает, шнур, снова несколько утончается, сила магнитного поля в этом месте снова возрастает и т. д. В конце концов шнур перетягивается полностью и плазма рвется на отдельные "сосиски"
(эта неустойчивость иногда и именуется "сосисочной"), отбрасывается к стенкам и гаснет. Как же упрочнить плазменный шнур и продлить жизнь плазмы?
Теоретики предложили ввести внутрь плазмы продольное магнитное поле. По их замыслу, оно создаст жесткий каркас - стержень, противостоящий кольцевому магнитному полю, охватывающему плазму. В такой системе кольцевые магнитные линии, сжимающие плазменный шнур, встретят на своем пути не только собственно плазму, но и пружинящие продольные магнитные силовые линии, препятствующие перетяжкам.
Получить продольное магнитное поле просто. На камеру наматывают витки проводника и пропускают через него ток, который и создает магнитное поле вдоль плазменного шнура. Применение этого несложного способа резко повысило устойчивость плазмы. Оказалось, что осевое магнитное поле эффективно противостоит и другому виду неустойчивости - изгибу плазменного шнура. А ведь было так, что небольшой его изгиб увеличивался до тех пор, пока шнур не соприкасался со стенкой, что и служило причиной его уничтожения.
Предложенное продольное осевое поле изменило картину: действуя как стержень, вставленный в плазму, оно не допускает ее изгиба.
Мы привели только два примера неустойчивости плазмы и рассказали о некоторых способах повышения ее устойчивости. Неустойчивостей же много, очень много, и они сдаются, уступая настойчивости и изобретательности теоретиков и экспериментаторов.
К сожалению, управление термоядерной реакцией связано не только с устойчивостью плазменного шнура.
Заряженные частицы плазмы способны изменять свою траекторию и убегать из термоядерного реактора. Картина эта выглядит так. Заряженная частица плазмы, пытающаяся двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям, под действием поля изменяет свою траекторию на круговую. При достаточно сильном магнитном поле она начинает двигаться по спирали вдоль магнитной силовой линии. Но если поперек магнитных линий ей путь закрыт, то вдоль линии она может двигаться и через торцы объема покидать реактор. Как же удержать этих беглецов?
Для этого есть две возможности. Во-первых, можно буквально свернуть магнитные силовые линии и саму камеру в виде бублика, образовав тем самым тороидальную систему, у которой нет концов.
Второй путь - усиление на концах (торцах) камеры магнитного поля. Резкие всплески напряженности этого магнитного поля на торцах как магнитные пробки закроют концы камеры и не пустят или, если быть более точным, почти не выпустят беглецов. Эти магнитные пробки американские ученые назвали магнитными зеркалами.
Так был преодолен еще один рубеж, позади осталась еще одна трудность. Но, как это часто бывает, сразу же появилась новая Оказывается, частицы плазмы могут все же перемещаться не только вдоль линий магнитного поля, но и, к сожалению, поперек их.
Хотя они в основном и "привязаны" к магнитным силовым линиям, тем не менее могут переходить от одной из них к другой, перемещаясь постепенно к границе плазмы - к стенкам камеры. А происходит это по разным причинам: при столкновении частиц одна из них может перескочить со своей спирали на соседнюю и передвинуться так поближе к стенке камеры. Есть и еще одна причина: в неоднородном магнитном поле (а в тороидальной установке магнитные силовые линии гуще с внутренней стороны баранки и реже с внешней)
происходит разделение электрических зарядов. Под действием возникающего электрического поля плазма медленко движется (дрейфует) в направлении, перпендикуляр! ом магнитному полю и в конце концов соприкасагтся со стенками камеры. Найдены эффективные методы борьбы и против такого явления.
Для проверки теоретических представлений о поведении плазмы в магнитных полях в СССР, США, ФРГ, Англии, Франции и Италии создана целая серия различных экспериментальных установок. Невозможно даже бегло рассмотреть их все. Но с отдельными познакомиться полезно.
Токамаки, стеллараторы и другие
Больше всего собралось различных установок по изучению УТС в Институте атомной энергии. Если с площади И. Курчатова посетитель пройдет на территорию института, то окажется в большом сосновом бору.
Одна из дорог приведет к домику И. Курчатова - "хижине лесника", а в 200 метрах он увидит здание первого в Европе реактора Ф-1, пущенного в 1946 году.
О нем и шла раньше речь. Если пройти еще 200- 300 метров, взору откроется постройка, на фронтоне которой эмблема - рука, держащая солнце. В ней и расположена одна из первых, наиболее крупных термоядерных установок с магнитными зеркалами - ОГРА, разработанная коллективом под руководством советского физика И. Головина. Каков же принцип ее устройства?
В прямой трубе (ее диаметр полтора метра, а длина около 10) создано продольное -постоянное во времени магнитное поле. Для разогрева плазмы в трубу-камеру с помощью специального устройства впрыскиваются ионы молекулярного водорода с энергией, которой соответствовала бы температура в камере около 900 миллионов градусов. Казалось бы, температура более чем достаточная! Однако плотность частиц в камере оказывается очень низкой - в 10 миллионов раз меньше, чем нужно, и столкновения частиц здесь происходят очень редко - термоядерная реакция не развивается.
Многое в этой установке, да и в ее модификации ОГРА-П не удовлетворяло ученых. Тем не менее они шаг за шагом двигались к пониманию тайн плазмы.
Создатели ОГРА, самой крупной в те времена установки, наперед знали, что на полный успех им рассчитывать не стоит. Но жизнь требовала строить и испытывать подобные установки, изучать свои ошибки и идти вперед. "Не делая этого, - писал И. Курчатов, - мы напоминали бы, пользуясь образным сравнением Гегеля, того софиста, который утверждал, что он не войдет в воду, пока не научится плавать".
