Юный техник, 2003 № 08 - Журнал «Юный техник»

«Токамак» — сокращение слов «тороидальная камера магнитная». Тороидом на научном языке называется геометрическая фигура, весьма похожая на… бублик. И рабочая камера такого термоядерного реактора действительно похожа на огромный бублик из стали. Внутри этого бублика, из полости которого выкачан воздух, по окружности должен располагаться плазменный шнур. А чтобы он не соприкасался со стенками камеры, его удерживают в строго заданном положении с помощью электромагнитных полей, создаваемых обмотками, которыми тороид обмотан снаружи.

В принципе конструкция не такая уж сложная. Однако на практике исследователям вот уже многие десятилетия так и не удается добиться устойчивой работы токамаков. Чтобы началось превращение атомов водорода сначала в дейтерий, а потом в гелий, что происходит благодаря синтезу ядер и сопровождается выделением огромного количества энергии, необходимо создать условия для начала термоядерной реакции — создать огромные давления, температуры в миллионы градусов, да еще, как сказано, и удержать плазму от соприкосновения со стенками тороида, то есть обеспечить соответствующую геометрию плазменного шнура.

А вот этого добиться как раз и не удается. «Рукотворное солнце» сияет ничтожные доли секунды и само поглощает уйму энергии, потраченной для создания нужной температуры и давления. В 1995 году на токамаке Принстонской лаборатории удалось получить импульс мощностью 10,6 млрд. ватт. Мировой рекорд! Однако и это «солнце» сияло лишь миллионные доли секунды.

В общем, мечта ядерщиков о создании самоподдерживающейся реакции на токамаке так и остается мечтой. И сейчас исследователям остается уповать на международный термоядерный реактор, который должен вступить в строй в первой четверти XXI века.

Его название «Итейр» составлено из первых букв сокращения, означающего в переводе «международный термоядерный экспериментальный реактор». Пока не известен ни окончательный проект данного реактора, ни место, где его будут строить. Есть лишь намерение запустить новую экспериментальную установку, которая будет сооружена совместными усилиями ученых и инженеров Японии, США, Европы и России.

«Это интересная физика, но бесперспективная энергетика», — говорят ныне многие эксперты. Поэтому Конгресс США недавно урезал на треть финансирование термоядерных программ; законсервированы из-за отсутствия средств на эксперименты многие токамаки в Европе и в нашей стране.

Заморожены работы даже на самом крупном в мире Принстонском токамаке. А это совсем уж жаль, поскольку именно здесь велись основные работы по подготовке проекта «Итейр». Энтузиасты этого направления полагают, что при 93 млн. градусов, до которых должна быть разогрета плазма в новом токамаке, термоядерный синтез станет наконец устойчивым и установка начнет выдавать больше энергии, чем потребляет. Но это пока теория, которую нужно проверить.

Потому многие ученые склоняются к мысли, что «Итейр» нужен лишь для того, чтобы окончательно убедить всех: токамаки — тупиковая ветвь термоядерной энергетики. Обойдется новый проект в десяток миллиардов долларов.

Диаметр токамака составляет около 30 метров.

Схема токамака.

К счастью, токамак — не единственный вариант термоядерного реактора. Развитие лазерной техники, которая во времена первых токамаков находилась в зачаточном состоянии, позволяет сегодня отказаться от тороидальных камер. В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, штат Калифорния, построена установка, в которой лучи мощных лазеров бомбардируют крошечную мишень со всех сторон импульсами ультрафиолета.

Мишенью служит пластиковая капсула величиной с горошину. Изнутри она покрыта тонким слоем золота или свинца и содержит смесь тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития.

Под воздействием лазерных импульсов оболочка мгновенно испаряется, дейтерий с тритием столь же молниеносно сжимаются в 20 раз, нагреваются до 100 млн. градусов и превращаются в гелий. Такая реакция ядерного синтеза сопровождается выделением энергии, причем, в отличие от токамака, энергии тут выделяется на порядок больше, чем расходуется на создание лазерных импульсов.

Словом, налицо самый настоящий термоядерный взрыв, только в миниатюре. Причем серией таких взрывов, как показали эксперименты, можно управлять.

Поначалу в экспериментальной установке мишень бомбардировалась 10 лазерными лучами. Но недавно в Ливерморе вступила в строй более мощная установка, в которой на мишень обрушивается 192 лазерных импульса сразу.

Установка занимает помещение размерами с приличный авиационный ангар. Импульсы ударяют по мишени с силой 1,82 мегаджоуля. Вообще-то такой энергии едва хватает, чтобы сварить две чашки кофе. Но поскольку импульсы длятся невероятно короткое время — три миллиардных доли секунды каждый, — то энергии вполне хватает на то, чтобы зажечь «ливерморское солнце». Мгновенная мощность 192 импульсов достигнет в этот миг 3 трлн. ватт — почти в 1000 раз больше, чем установленная мощность всех электростанций США.

Устройство лазерной мишени. Полимерная капсула с изотопами водорода окружена двухслойной оболочкой. Снаружи мишень покрыта медью или полимерной пленкой толщиной 10–15 мкм, изнутри — более толстым слоем железа, золота, индия или алюминия. Лазерная вспышка испаряет металл, и его пары сжимают капсулу, инициируя термоядерную реакцию.

Кроме чисто практических целей, «ливерморское солнце» послужит также и науке. Астрофизики надеются, что, получив в свое распоряжение громадные температуры и давления, они смогут точнее разобраться в процессах, происходящих в недрах нейтронных звезд, когда они превращаются в сверхновые. Да и то, что происходит в глубинах нашего Солнца, станет намного яснее.

Установка для термоядерного синтеза с помощью лазерных импульсов способна также создавать условия, типичные для взрыва водородных бомб. А это значит, что отпадает необходимость производить испытания такого оружия в натуре.

Обошлось сооружение такой установки в 6 млрд. долларов. Дорого, конечно, но все же дешевле, чем строить токамак. Тем не менее, некоторые исследователи недовольны и этой установкой. «Лазеры энергетически мало эффективны, КПД их невелик», — говорят они. Поэтому исследователи больше уповают на обстрел мишеней тяжелыми ядрами, скажем, пучками атомов ксенона или цезия, а также рентгеновскими лучами. Именно о таком проекте недавно сообщили сотрудники национальной лаборатории Сандиа в Альбукерке, штат Нью-Мексика.

Речь здесь идет о подрыве крошечной термоядерной бомбы, которая получается при сжатии с помощью мощных рентгеновских лучей капсулы с тяжелым водородом — дейтерием. При этом состояние водорода было доведено практически до тех же параметров, что он имеет внутри звезд. Подобные контролируемые микровзрывы, безопасные вследствие своей малой мощности, могут стать основой альтернативного способа генерации электроэнергии.

Теперь о технике. Ускоритель представляет собой гигантское колесо диаметром более 30 м. В самом центре колеса помещен цилиндрический контейнер диаметром в 40 мм, состоящий из 360 вертикальных вольфрамовых проволочек. Внутрь контейнера вставляется цилиндр из пенопласта, в который вмонтирована пластиковая капсула диаметром 4,5 мм, содержащая дейтерий.

Сначала электрический импульс с силой тока в 20 млн. ампер испаряет вольфрамовую решетку и возбуждает магнитное поле. Оно сжимает вольфрамовый пар в центре цилиндра. При этом возникает мощная ударная волна, которая генерирует рентгеновское излучение. А лучи, в свою очередь, сжимают крупицы дейтерия, раскаляют их, превращая в плазму с температурой в 10 млн. градусов.

При проведении подобных экспериментов детекторы отмечают выделение нейтронов, что свидетельствует о протекании термоядерных реакций. Но мощности каждого такого взрыва едва достаточно для питания 40-ваттной электролампочки в течение 10-4 доли секунды.

Схема рентгеновской термоядерной установки. Рентгеновские лучи со всех сторон атакуют мишень, вызывая термоядерный взрыв в миниатюре. Тепло передастся окружающей рабочую камеру воде, а та, превращаясь в пар, вращает турбину электрогенератора.

В дальнейшем предстоит повысить мощность самого ускорителя, придумать устройство, которое бы автоматически подавало с определенным интервалом капсулы в самый центр установки, отработать всю технологическую цепочку. В общем, работы еще немало, и стоит она недешево. Лишь на первый ее этап намечено потратить 60 млн. долларов. Но, как полагают исследователи, овчинка, безусловно, заслуживает выделки.