ТОКАМАК, раздел «Физик»

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Стремясь осуществить управляемый термоядерный синтез, ученые разных стран изобретают и исследуют различные устройства для создания, нагрева и термоизоляции плазмы. Наиболее близко к условиям, требуемым для управляемого синтеза, удалось подойти с помощью установок, изобретенных советскими физиками и названных «Токамак». Это название — сокращение русских слов: Тороидальная КАмера с МАгнитными Катушками. Действительно, Токамак — это тороидальная вакуумная камера, на которую 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 возникает 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 (см. Термоядерный синтез).

Любой виток с током, а плазменный особенно, стремится увеличить свой диаметр: противоположно направленные токи отталкиваются. Для компенсации этого отталкивания в Токамаке имеются специальные управляющие витки, создающие магнитное поле, перпендикулярное плоскости тора. Взаимодействие этого поля с током в шнуре дает радиальную силу, удерживающую плазменный виток от расширения. Ток в витках регулируется специальной автоматической системой, следящей за положением и движением плазменного шнура.

С ростом температуры плазмы ее электрическое сопротивление не растет, как у других веществ, а падает, и при заданном токе уменьшается нагрев шнура. Увеличивать же ток в Токамаке выше некоторого предела нельзя. Если магнитное поле тока станет слишком большим по сравнению с тороидальным полем катушек, шнур начнет извиваться и выбросится на стенку. Поэтому для нагрева плазмы до температур выше 10 млн. градусов в Токамаке используют дополнительные методы нагрева с помощью инжекции в плазму пучков быстрых атомов (заряженные частицы не могли бы влететь в камеру поперек магнитного поля) или введения в камеру высокочастотных электромагнитных волн. Таким образом плазму в Токамаке уже удалось нагреть до 70 млн. градусов.

Достигнутая термоизоляция плазмы в Токамаке всего в несколько раз хуже, чем требуется для термоядерного реактора, и ее можно улучшить, увеличивая размер установки. Поэтому уже сегодня ученые разных стран приступили к проектированию экспериментального термоядерного реактора — Токамака. В таком реакторе тороидальное поле будет создаваться сверхпроводящими катушками, охлаждаемыми жидким гелием, что избавляет от затрат энергии на поддержание магнитного поля. Между катушками и плазмой размещается защита от нейтронов, рождающихся в термоядерных реакциях, и бланкет (в переводе с английского это слово значит «одеяло») — слой вещества, содержащий литий. Здесь быстрые термоядерные нейтроны тормозятся, нагревая бланкет, и вступают в ядерные реакции с литием, в результате которых воспроизводится тритий, сгоревший при термоядерном синтезе и отсутствующий в природе. Через бланкет прокачивается теплоноситель, например вода, и образуется пар, который далее поступает на турбины для выработки электроэнергии.

Термоядерный реактор — сложное сооружение. Для его проектирования и строительства потребуется еще 10 — 15 лет, так что читатели этой книги как раз успеют стать строителями и испытателями первой термоядерной электростанции.