Термоядерные реакции в лабораторных условиях.

Возможность осуществления реакции синтеза и получения таким образом нового источника энергии для мирных целей представляет собой проблему, привлекающую огромное внимание ученых и инженеров. С конца 40-х годов работы в этом направлении проводятся во многих лабораториях мира. Термоядерные установки на реакциях синтеза и в случае их осуществления имели бы ряд преимуществ перед реакторами, основанными на делении тяжелых ядер.

Во-первых, существует практически неисчерпаемый источник дешевого горючего в виде дейтерия, находящегося в воде океанов. Во-вторых, при термоядерных реакциях не образуются радиоактивные ядра, как при реакции деления. Энергия, которую можно получить в результате образования гелия, равна примерно в 10 раз больше, чем энергия, выделяющаяся при делении урана.

Однако реакции углеродного и водородного цикла идут слишком медленно, чтобы их практически можно было использовать. Поэтому важно овладеть другими ядерными реакциями с участием легких ядер. Наибольшие надежды, по-видимому, могут быть связаны с тремя реакциями, в которых участвуют изотопы водорода — дейтон и тритий:

Две первые реакции при одинаковой температуре идут примерно с равными скоростями; скорость третьей реакции при эквивалентных концентрациях примерно в 100 раз больше.

Сравнивая минимальные температуры, при которых реакции будут самоподдерживающимися, нужно учитывать также энергию, теряемую за счет излучения, выхода нейтронов и др. Расчеты показали, что минимальная температура, при которой реакции поддерживаются без вмешательства извне, равна примерно 350 млн. градусам для реакций она ниже, но тем не менее составляет примерно 60 млн. градусов.

При решении проблемы синтеза возникает также вопрос о том, какой должна быть концентрация газа (число ядер плазмы в Предел возможной концентрации газа, очевидно, находится по величине максимального давления, которое могут выдержать стенки термоядерного реактора. Если, например, принять частиц/см, то давление будет равно:

Следовательно, надо брать разреженный газ (в воздухе частиц/см).

Итак, перед физиками и инженерами стоят задачи: получить высокие температуры (108 градусов) и удержать разогретую плазму в течение длительного времени в заданном объеме (мы не касаемся здесь вопроса отвода энергии — решение этой проблемы имеет свои тоже немалые трудности).

Прежде всего необходимо разрешить вопрос о том, какие стенки могут удержать плазму с температурой в миллионы градусов. Любое вещество при этих температурах не только испаряется,

но и полностью ионизуется. Единственный путь решения проблемы — создание магнитных барьеров, препятствующих утечке нагретой плазмы из рабочего объема. Как это следует из законов движения зарядов в магнитных полях, достаточно сильное поле, силовые линии которого окружают плазму, создает как бы «магнитную стенку», удерживая плазму от расширения [15].

Идея теплоизоляции плазмы магнитным полем была высказана в 1950 г. А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом в СССР; одновременно аналогичные идеи были выдвинуты в Англии и США.

Для удержания плазмы применяются магнитные ловушки и тороидальные разряды с продольным магнитным полем. В магнитных ловушках плазма удерживается внешним магнитным полем специфической (иногда довольно сложной) конфигурации.

В системах с плазменными шнурами определяющую роль в удержании плазмы играет самостягивание плазмы магнитным полем протекающего по ней тока. Этот эффект носит название пинч-эффект (эффект сжатия). Остановимся на нем несколько подробнее. При пропускании через плазму мощных импульсов электрического тока благодаря сжатию вещества электродинамическими силами должен образоваться плазменный столб, оторванный от стенок разрядной трубки. В таком процессе электрический ток выполняет несколько функций: в начальной стадии создает плазму благодаря процессу ионизации; с помощью электродинамических сил удерживает плазму в сжатом состоянии; за счет выделения джоулева тепла нагревает плазму до высокой температуры.

В своей простейшей форме это явление наблюдается при исследовании электрических разрядов с большой силой тока в прямых разрядных трубках. Ток, текущий по такому газообразному проводнику, окружен кольцевыми силовыми линиями магнитного поля. Взаимодействие тока с его собственным магнитным полем создает силу, сжимающую разрядный столб. На рис. 92, а схематически изображен эффект такого сжатия плазмы. Если группа заряженных частиц движется в одном направлении, то в поверхностном слое плазменного шнура радиуса возникает магнитное поле, равное

где — сила тока.

Это магнитное поле действует на поверхности шнура с силой равной

и стремится сжать плазменный шнур.

Поскольку действие сил магнитного поля приводит к адиабатическому сжатию плазмы, то возникает разогрев ее, причем соответственно возрастает и давление плазмы.

В конечном счете при некотором значении радиуса плазменного шнура а устанавливается равновесие между силой сжатия магнитного поля и внутренним давлением плазмы которое отвечает условию

где соответственно концентрации ядер и электронов в плазме.

Рис. 92. Схематическое изображение эффекта сжатия плазменного шнура: а — в случае продольного тока; б - в случае кольцевого тока

Отсюда равновесное магнитное поле

а равновесная сила разрядного тока

Например, в шнуре дейтериевой плазмы с равновесной плотностью частиц/см при диаметре 20 см и температуре 200 млн. градусов должен протекать ток около Соответствующее значение равновесной напряженности магнитного поля на поверхности шнура будет составлять около 20 тысяч эрстед.

Характерной особенностью пинч-эффекта является неустойчивость плазменного шнура, которая приводит к разрушению его за время порядка нескольких тысячных долей секунды. Эта

неустойчивость проявляется в образовании перетяжек и утолщений, придающих плазменному шнуру характерную структуру (рис. 93,а).

Другой формой неустойчивости является стремление шнура к изгибанию (рис. 93, б). При ничтожном боковом смещении плотность магнитных силовых линий внутри изгиба оказывается больше, чем снаружи, и поэтому магнитное давление стремится увеличить деформацию, а не выпрямить шнур. Таким образом, случайно появившаяся неоднородность ведет к неустойчивости. Это случай абсолютной неустойчивости.

Рис. 93. Виды неустойчивости плазменного шнура

Описанный выше пинч-эффект называется линейным. Кроме того, существует так называемый -пинч-эффект, возникающий при быстром сжатии плазмы нарастающим во времени продольным внешним магнитным полем (рис. 92,б). Под действием магнитного давления, равного

- может идти такой же быстрый процесс сжатия, как и при кратковременных импульсных разрядах. В случаях с линейным пинч-эффектом сила сжатия появляется благодаря взаимодействию азимутального магнитного поля с продольным током, а при -пинче продольное поле взаимодействует с азимутальными токами.

В системах с -пинчем удается также достигнуть очень быстрого сжатия плазмы и повышения ее температуры до миллионов градусов. В обоих случаях может наблюдаться жесткое излучение, обусловленное различным видом неустойчив остей.

Одним из путей устранения неустойчивости является создание установок, в которых разрядная камера имеет тороидальную форму. Ток в газе, заполняющем камеру, возбуждается индукционным путем. Для стабилизации плазменного витка используется продольное магнитное поле, которое создается с помощью обмотки, навитой на внешнюю поверхность камеры. Экспериментальные установки такого типа были разработаны и используются в Советском Союзе. Они образуют в настоящее время целое семейство, получившее условное название «Токомак».

Пока еще трудно сказать, каковы перспективы работы в этом направлении и какая максимальная температура будет достигнута при нагревании плазмы током. Остается также нерешенным вопрос об устойчивости плазменного витка. До сих пор в устройствах

описываемого типа удавалось нагревать плазму до температур 2—3 млн. градусов при концентрации плазмы порядка частиц/см.

Применение магнитных ловушек с комбинированными магнитными полями также является перспективным для достижения эффективной термоизоляции плазмы. В системах такого типа пока что удается устойчиво удерживать плазму относительно небольшой концентрацией не больше частиц/см), и неизвестно, можно ли в будущем длительно сохранять в ловушках плазму большой плотности.

Пока еще трудно сказать, когда будет решена задача получения управляемых термоядерных реакций, так как поведение плазмы, нагретой до температур порядка десятков миллионов градусов в магнитных полях в сотни килоэрстед, еще очень мало изучено как теоретически, так и экспериментально. Интенсивная работа, которая проводится в этой области в различных лабораториях, связанная с сооружением дорогих уникальных установок и решением очень сложных технических задач, представляется чрезвычайно важной, так как ее успешное решение сулит переворот в энергетике и практически безграничное расширение энергетических ресурсов на Земле.