ТОКАМАК
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, чточбы 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, 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.
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.
