19.12.2008: Управляемый термоядерный синтез. ИНТОР и Токамак.
Осенью 1981 года крупнейшие учёные из 27 стран мира приехали в Москву на Европейскую конференцию по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы. Главный итог работы конференции - единодушный вывод о том, что наука сегодня близка к окончательному решению "проблемы века" - управляемого термоядерного синтеза (УТС). На основе бесед с ведущими учёными подготовлен этот рассказ.
Многие специалисты и сегодня задаются вопросом могла бы уже работать термоядерная электростанция, если бы долгое время исследования по термояду не держались в секрете? Если бы у ученых и инженеров разных стран с самого начала была возможность объединить свои усилия? И хотя никто не может с полной уверенностью утвердительно ответить на этот вопрос, всем ясно, что путь к "энергетическому Эльдорадо" оказался бы намного короче.
Почему же всё сложилось не так, как того требовали нужды людей? Этот вопрос прямо не обсуждался на последней научной конференции по термояду. Однако подспудно он владел многими. Потому что честный ответ на него может помочь избежать многих ошибок в будущем.
Обратимся ненадолго к истории - всего к нескольким датам и фактам. В конце 30-х годов была открыта цепная реакция деления ядер, при которой выделяется огромное количество энергии.
Увы, воспользовались ею в первую очередь вовсе не для нужд энергетики. В августе 1945 года США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки. Советский Союз был вынужден создать своё атомное оружие. Его испытали в 1949 году. Но уже в 1954 году в нашей стране вступила в строй первая в мире атомная электростанция, открывшая эру мирного использования ядерной энергии... Похожая история и с термоядом. Возможность получения энергии при слиянии ядер теоретически была доказана в конце 30-х годов (кстати, при синтезе выделяется энергии примерно в сотни раз больше, чем при делении!). И опять-таки вначале было создано термоядерное оружие. Работа над термоядерным оружием не только отвлекала от мирных исследований термояда, она словно глухой стеной разъединила учёных разных стран: никакого обмена информацией, результатами исследований, идеями. Кто-то должен был сделать первым шаг навстречу. И в 1956 году по инициативе Советского правительства докладом академика И. В. Курчатова, который он прочитал в английском городе Харуэлле, было положено начало регулярному обмену научной информацией, чтобы совместными усилиями ученых разных стран прокладывать пути к мирному использованию термоядерной энергии. Ещё через год советские учёные поделились с зарубежными коллегами идеей, которая определила генеральное направление штурма УТС. Название установок, в основу которых положена эта идея, "Токамак" ныне вошло во все научные словари мира так же, как, скажем, слово "спутник".
Главным образом об этих установках - сегодняшних лидерах в решении проблемы УТС, о проектах новых "Токамаков" шла речь и на последнем, московском, форуме учёных разных стран.
Сама по себе идея термоядерного синтеза кажется простой. Нужно заставить ядра сойтись на расстояние примерно в 10 миллиардных миллиметра и слиться, синтезироваться в одно ядро. В процессе слияния выделяется избыток энергии. В принципе, синтезироваться способны все элементы начала таблицы Менделеева. Однако легче всего (точнее, относительно легко) реакции синтеза могут идти между ядрами изотопов водорода - дейтерия и трития. Но для этого нужно ни много ни мало нагреть смесь этих ядер до 100 млн. градусов Цельсия. А для реакции синтеза на чистом дейтерии и того больше - до миллиарда!
В этом-то и состоит главная трудность. Нагреть вещество до таких температур - задача сама по себе фантастическая! Даже в недрах солнца "прохладней" - не более 20 млн. градусов. Уже при нескольких тысячах градусов вещество становится плазмой - хаосом из электронов и ядер, которые с огромными скоростями мечутся и сталкиваются внутри камеры. И хаос этот становится активнее с ростом температуры. Какой уздой можно удержать его при десятках миллионов градусов? На Солнце это гигантская сила гравитации. А на Земле, в искусственной установке?.. Коварство плазмы ещё и в том, что благодаря высокой теплопроводности она мгновенно отдает свою энергию стенкам камеры и остывает. Как метко заметил известный советский физик профессор Д. Франк-Каменский, нагреть в замкнутом сосуде плазму до миллионов градусов - это тоже самое, что вскипятить воду в стакане... изо льда!
Итак, главная задача - нагреть плазму до нужной температуры и не давать ей коснуться стенок столько времени, сколько нужно для того, чтобы успело прореагировать достаточное количество ядер дейтерия и трития и произошла реакция с выделением огромной энергии.
решению этой задачи и служит идея, которая наилучшим образом работает в установках "Токамак". (Это слово образовано из первых слогов названия установки "ТОроидальная КАмера с МАгнитным полем") Из школьной физики известно, что заряженная частица не может двигаться поперёк магнитной силовой линии. В однородном магнитном поле частицы движутся вдоль силовых линий, закручиваясь вокруг них. Поэтому, если создать систему замкнутых магнитных силовых линий, то в принципе сих помощью можно удерживать плазму в некотором ограниченном объёме. Образно говоря, незримы "ладони" магнитных полей способны удержать сверхсолнечный жар! "Токамак" и должен был стать надежной уздой для частиц, "взбесившихся" от невероятного, фантастического жара.
Что же представляет собой "Токамак" конструктивно? Внешне он похож на большой трансформатор с железным замкнутым сердечником и обмоткой, по которой пропускают очень сильный ток. Вместо вторичной обмотки трансформатора пустотелая тороидальная камера, напоминающая большой бублик. Внутри этой камеры добиваются перехода вещества в плазменное состояние. До необходимой температуры плазму разогревают сильным электрическим разрядом, мощными токами сверхвысокой частоты и другими способами. А сильное магнитное поле сжимает плазму в плотный кольцевой шнур.
Когда знакомишься с принципиальной схемой "Токамака", поражаешься её простоте - кажется, даже в школьном учебнике приводят схемы посложнее. Грубо говоря, так оно и есть, если забыть на время о реальном устройстве, о конструкции, требующей уникальных материалов; забыть о том невообразимо горячем веществе, что укрощается в "бублике". Так уже в самых первых экспериментах выяснилось, что плазма никак не желает признавать магнитных стенок. Непонятным образом она успевает просачиваться раньше, чем её удается нагреть до нужно температуры. Физики искали средство подавления неустойчивости плазмы, переделывали установку, повышали температуру, и... снова плазма находила новый способ вырваться из магнитного плена! Это подобно путешествию в горах: взята очередная трудная вершина, но с её высоты взору открываются новые перевалы, ущелья, пропасти, которые надо преодолеть на пути к цели...
За три десятилетия пройдена большая часть трудного пути. Каждый его этап - это не дни или месяцы, а годы упорных, сложнейших экспериментов, расчётов, это десятки разочаровывающих неудач и блестящих успехов. И к каждой задаче, которую надо было решать, можно было применить слово "впервые".
Например, впервые предстояло научиться создавать сверхсильное магнитное поле в довольно больших камерах. Причём поле в высшей степени симметричное. При отклонении симметрии уже в доли миллиметра плазма норовила прорваться к стенкам камеры и охладиться.
Был и такой период, когда плазма, надёжно удерживаемая магнитным полем, никак не хотела нагреваться выше всего лишь нескольких миллионов градусов. В конце концов выяснилось: виноваты во всём ничтожно малые примеси тяжёлых элементов в плазме. Но как же они попадали в камеру? Возникло предположение - они испаряются с поверхности металла. из которого сделаны стенки камеры. В итоге электроны плазмы тормозятся в электрическом поле этих элементов, теряют свою энергию, что и приводит к понижению температуры... Понадобились многие годы, чтобы понять и, главное, устранить эту причину.
А проблема так называемой первой стенки реактора? Представьте, в камере за этой стенкой миллионы градусов! Она не испаряется мгновенно потому, что, как мы знаем, плазма "обернута" невидимым магнитным полем. Но изнутри на стенку обрушиваются мощные потоки нейтронов! Материал стенки должен быть предельно стойким, чтобы не разрушаться под действием высоких температур и нейтронов, в тоже время быть максимально "прозрачным" по отношению к тем же самым нейтронам! Ведь именно они выносят из камеры ту самую энергию термоядерного синтеза, которую мы намереваемся дальше превращать в тепло и электричество. не будет стенка "прозрачной", желанная энергия так и останется внутри "бублика". Вот каким парадоксальным требованиям должен отвечать материал первой стенки реактора. Это всё равно как если бы сделать кирпичную стенку, прозрачную для артиллерийских снарядов. Мы метко расстреляли её миллионом снарядов, а она целёхонька - ни единой пробоины.
На создание мощных магнитных полей уходит львиная доля энергии, потребляемой "Токамаком", и пока он больше берёт, чем отдает. Как уменьшить энергетические аппетиты?
Одно из решений проблемы - сверхпроводимость. Известно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, электрическое сопротивление некоторых проводников становится бесконечно малым. Ток, однажды запущенный в кольцо такого проводника, может циркулировать в нём как угодно долго почти без потерь. Чтобы практически изучить возможность использования сверхпроводимости в "Токамаках", ученые из института атомной энергии имени И. В. Курчатова построили установку "Токамак-7", магнитные катушки которой выполнены из сверхпроводящих материалов. Это был уникальный опыт в первую очередь для инженеров, материаловедов. Дело в том, что сильнейшие магнитные поля в "Токамаке" становятся врагами сверхпроводимости, уничтожают её. Здесь понадобилось создать и испытать совершенно особые магнитостойкие сверхпроводящие сплавы. По сравнению с обычной магнитной системой сверхпроводящие обмотки Т-7 позволили уменьшить потребляемую из сети мощность примерно в 100 раз!
В 1975 году в Институте атомной энергии была пущена установка "Токамак-10". На этой установке удалось получить плазму с рекордной для того времени температурой - 15 миллионов градусов Цельсия! Здесь впервые появились надёжные признаки того, что в камере "зажигается", пусть ещё первыми искорками, термоядерная реакция. Да, искра может зажечь костёр. Однако и сотня отдельных искр это ещё не костёр. Термоядерные искры гасли. Но уже своим появлением они убедили физиков всего мира в правильности выбранного пути.
Сейчас новая установка - "Токамак-15" - строится в Институте атомной энергии. Объём плазменного "бублика" в нём будет примерно в пять раз больше, чем в Т-10. Зачем это нужно? Дело в том, что при увеличении объема камеры возрастает и число частиц, а следовательно, вероятность их столкновений, которые вызывают реакцию. Плазма в Т-15 будет нагреваться до 70-80 млн. градусов - это уже очень близко к тому, что требуется. Обмотки магнитных катушек у Т-15 будут сверхпроводящими. Это позволит значительно снизить потребление энергии.
эксперименты на Т-15 и других "Токамаках", как надеются учёные, должны окончательно подтвердить осуществимость самоподдерживающейся реакции синтеза. Если всё пройдет удачно, то останется сделать последний шаг на пути к термоядерным электростанциям. На этом последнем этапе должен быть получен ответ на вопрос: что и как нужно сделать, чтобы собрать тепловую энергию нейтронов и, преобразовав её в электричество, направить на заводы.ю в города, сёла.
Освоить энергию ядерного синтеза, овладеть поистине неисчерпаемым источником энергии - это грандиозная задача. От успеха её решения зависит прогресс всего человечества. Стало быть, и решать эту задачу лучше сообща, силами всех стран, которые располагают необходимыми для этого научными и техническими возможностями. Особенно важно объединить усилия становится на нынешнем этапе исследований - этапе самом ответственном и, пожалуй, самом сложном, требующем огромных материальных затрат.
В 1978 году в Вене на заседании Международного агентства по атомной энергии выступил руководитель советской термоядерной программы академик Е. П. Велихов и от имени Советского правительства предложил специалистам ведущих стран вместе спроектировать и построить большой демонстрационный реактор-токамак. Значение этого выступления, как и выступления И. В. курчатова в 1956 году, трудно переоценить. Это шаг к новому этапу мирного сотрудничества в области термояда. Предложение было принято, и в состав участников строительства первого в истории международного термоядерного реактора вошли СССР, США, Япония и десять наиболее развитых стран западной европы. ИНТОР - такое название получил будущий реактор по первым буквам английского названия - International Tokamak Reactor.
Как же будет выглядеть ИНТОР?
Внешне он будет походить на своих предшественников из семейства "Токамаков" - Т-10, Т-15 и их зарубежных собратьев, отличаясь от них большими размерами. Объём плазмы в ИНТОРе будет примерно в 5 раз больше, чем в "Токамаках" нынешнего поколения, а, как мы уже знаем, это увеличивает вероятность зажигания термоядерной реакции. За 5-6 секунд плазму нагреют до температуры выше 100 млн. градусов. В течение 100 секунд в камере будет идти термоядерная реакция, выделяя энергию, равную той, что дают сегодня атомные реакторы средней мощности, - около 600 МВт. (Для сравнения напомню, что мощность первой АЭС составляла 5 МВт.) затем реакцию прервут, чтобы удалить из камеры продукты сгорания (в основном ядра гелия), которые загрязняют камеру. Потом снова впрыснут порцию термоядерного горючего, и цикл повторится.
Главная, пожалуй, особенность ИНТОРа состоит в том. что здесь впервые пройдут серьёзные испытания и элементы систем, позволяющих практически использовать энергию термоядерного синтеза. Такого рода системы называют "бланкетами" (от английского слова blanket - одеяло.) В простейшем случае бланкет представляет собой пустотелую оболочку, окружающую реактор, внутри которой циркулирует жидкость - скажем, та же вода. Нейтроны, рождающиеся в ходе реакции и несущие энергию термоядерного синтеза, будут поглощаться жидкостью и отдавать ей свою энергию, нагревая её. А дальше по привычной схеме, как в тепловых или атомных электростанциях: вода, нагреваясь превращается в пар, который приводи в движение турбину с электрогенератором.
Бланкет ИНТОРа должен помочь решить ещё одну важную задачу.
Мы уже говорили о том, что поначалу термоядерные реакторы будут работать на смеси дейтерия с тритием - для такой смеси температура зажигания требуется меньшая, чем для чистого дейтерия. Возникает вопрос: как же обстоит дело с ресурсами этого топлива? Что касается дейтерия. то он в изобилии имеется в морской воде, целый океан, не на один век хватит. А где взять тритий? В природе. как известно, его крайне мало.
Ядерная физика и здесь подсказала выход. Можно получить тритий искусственно от другого химического элемента, которого на земле вполне достаточно, - лития, облучая его нейтронами. И это очень важно, делать это можно в том же термоядерном реакторе. В этом-то и состоит вторая важная функция бланкета: помещённый в него литий будет перерабатываться в тритий.
Так что, по идее, реактор должен не только вырабатывать энергию, но и сам себя обеспечивать топливом, как это сейчас и происходит, кстати, в атомных электростанциях на быстрых нейтронах.
Штурм проблемы управляемого ядерного синтеза идёт сегодня широким фронтом. В последние годы получены обнадёживающие результаты и на других направлениях исследований. Можно назвать, в частности, такие варианты, как "лазерный термояд", когда термоядерное горючее нагревается со всех сторон мощными лазерными лучами. Или "электронный термояд". где вместо лучей лазера работают мощные пучки электронов.
Сейчас ещё рано говорить о том, как практически будут воплощены в жизнь эти идеи. "Токамаки" ближе всех подвели учёных к решению проблемы УТС. И именно на этом направлении концентрируются сегодня основные усилия и средства, которые приближают к овладению практически неисчерпаемым источником энергии.
Главным образом об этих установках - сегодняшних лидерах в решении проблемы УТС, о проектах новых "Токамаков" шла речь и на последнем, московском, форуме учёных разных стран.
