ОТКРЫТЫЕ МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ
Академику Эдуарду Круглякову исполняется 70 лет. Накануне
юбилейного интервью корреспондент «НВС» заготовил единственный
вопрос: о чем известный физик хотел бы в первую очередь
рассказать читателям? И ученый начал говорить об открытых
магнитных ловушках — теме многолетних научных исследований и
поле неустанной общественной борьбы.
На подступах к термояду
Всю свою жизнь я занимался физикой плазмы. Нетрадиционным ее
направлением — так называемыми открытыми магнитными ловушками.
В свое время в обстановке строжайшей секретности они были
предложены независимо друг от друга академиком Будкером в СССР и
профессором Постом из Ливермора в Соединенных Штатах. Несмотря на
повсеместное увлечение «Токамаками», мы в ИЯФе убеждены в
громадных перспективах открытых систем для будущего термоядерных
исследований.
Сегодня работы в области термоядерного синтеза подходят к своему
апогею. Активно обсуждается вопрос о сооружении международной
установки под названием ИТЕР — экспериментального термоядерного
реактора, который призван продемонстрировать саму теорему
существования термояда. По окончании строительства, которое, увы,
продлится около восьми лет, последует еще достаточно протяженная
фаза экспериментальных исследований. Но через 20 лет человечеству
можно будет продемонстрировать окончательный результат — непрерывное
горение термоядерного вещества с выделением огромного
количества энергии.
Однако, существует ряд вопросов, инженерных с виду, без ответа на
которые невозможно создание промышленных термоядерных
электростанций. В частности, как долго простоит стенка такого
реактора? Если стенка прогорает, ее надо менять. Но «стенка»
реактора — понятие условное. Это очень сложный комплекс с
огромным количеством сверхпроводников, многими тоннами жидкого
лития и т.п. А внутри будут находиться вещи, которые нужно время
от времени вытаскивать. Поэтому, если срок службы окажется
небольшим, система «Токамак» будет заведомо непригодна.
Представьте себе «бублик» с обмотками, из которого нужно
периодически извлекать сердцевину, причем даже не саму мякоть, а
именно корочку. В этом смысле открытые магнитные
ловушки — предел мечтаний инженера. Из длинной осесимметричной системы
стенку можно элементарно вынуть через торец даже
роботами-автоматами. В этом случае время жизни стенки уже не так
существенно.
К сожалению, сегодня параметры открытых систем серьезно уступают
«Токамакам». Но мы продолжаем ими заниматься, несмотря на скепсис
многих, и в самое последнее время добились весьма значительных
успехов.
Наследники пробкотрона
Идея открытой магнитной ловушки была выдвинута в 1954 году.
Представьте классическую шпульку от швейной машины — некий
цилиндр, на который наматывается нитка. Если нитку заменить на
провод, по которому протекает ток, внутри этой трубы образуется
однородное магнитное поле. Такая конструкция называется
соленоидом. Теперь нужно поджать силовые линии на концах,
сгустить магнитное поле, чтобы заряженные частицы, летающие в
магнитном поле, отражались от этих сгущений. Ничего проще
придумать нельзя. Это и есть пробкотрон Будкера.
Классические опыты по проверке принципа работы такой ловушки были
проведены в ИЯФе Станиславом Родионовым еще в 1959 году. С тех
пор пробкотронами занимались во многих странах мира, и довольно
быстро убедились, что у них есть слабые места. На этом наступила
эра разочарования. Тем временем появились многообещающие
результаты по замкнутым конфигурациям, и физика ушла в другую
сторону. Но мы в ИЯФе не сдались и предложили три принципиально
новые схемы.
Исторически первой стала многопробочная система Г. Будкера,
В. Мирнова и Д.Рютова. Она представляет собой много-много
пробкотронов Будкера, установленных вдоль единой оси. Такая
система несравненно лучше удерживает плазму. Эксперименты,
которые как раз я и вел, подтвердили справедливость теоретических
выкладок.
Второй системой стала амбиполярная ловушка, предложенная
Геннадием Ивановичем Димовым. И, наконец, последняя
конфигурация — газодинамическая ловушка. Это возврат к классическому
пробкотрону Будкера, но с очень большим пробочным отношением. При
определенных условиях плазма удерживается точно так же, как
жидкость, вытекающая из узкого горлышка — чем уже горлышко, тем
медленнее вытекание. Теперь вообразите бутылку, у которой площадь
сечения горлышка в 100 раз меньше площади сечения туловища. Такой
пробкотрон приобретает совершенно новое качество.
Каждая из этих систем имеет свои возможности. Однако, если
многопробочная и амбиполярная схемы реально смотрятся в качестве
термоядерного реактора, то газодинамическая
ловушка — не смотрится. Слишком велик будет реактор на ее основе — около 10
километров в длину. Зато у нее обнаружилось нечто такое, что дает
ей право на жизнь на ближайшие годы.
Как нагревается плазма
Представим, что у нас есть очень холодная по термоядерным меркам
плазма — допустим, миллион градусов. Ее нужно нагреть до
приличных параметров. Запустим в нее пучок быстрых нейтральных
атомов под углом к оси системы. Для этого сначала нужно получить
ионы, ускорить их в электрическом поле, потом перезарядить,
превратив в нейтральные атомы с довольно большой энергией
(50-100 КэВ, в пересчете на градусы — порядка миллиарда). Когда
такой атом влетает сквозь магнитную систему в плазму, в ней
происходит эффект перезарядки. Медленный атом, как ни в чем не
бывало, проходит ловушку насквозь. Быстрый атом превращается в
ион и начинает метаться в магнитном поле между магнитными
«пробками».
Так в «холодной» плазме накапливается большое количество очень
энергичных ионов. Как эти ионы распределятся? Вспомним, как
располагаются машины на шоссе: на ходу — с интервалами, перед
светофором — очень плотно. Так же и здесь: ионы будут сгущаться
вблизи «пробок». И если нарисовать распределение плотности этих
ионов вдоль оси, оно будет выглядеть как два пика. Если
инжектировать в систему быстрые атомы дейтерия и трития,
столкновения быстрых дейтонов и тритонов будут порождать
термоядерные нейтроны, которые дадут два пика нейтронного
излучения.
На пучках атомов дейтерия эксперименты проведены. Пока все хорошо
согласуется с теорией. Расчеты показали, что в ограниченных
областях площадью порядка одного квадратного метра можно создать
нейтронный поток мощностью два мегаватта на квадратный метр. Для
термоядерного материаловедения вполне достаточно. С тритием в
ИЯФе мы не работаем. Но есть договоренность с ядерным центром в
Челябинске-70. Они готовы построить у себя такую машину, как
только мы завершим испытания.
Стадии роста
Принципиальная физическая стадия пройдена. Но мы не авантюристы,
и понимаем, что из сегодняшнего состояния не можем строить
установку на 2 мегаватта нейтронного потока. Потребуется пройти
несколько промежуточных этапов. Для начала необходима
модернизация существующей установки. Мы сумели перестроить
инжекторы на новый лад, сделать их более «длинными» во времени,
рассчитанными на большую энергию, большую мощность. Решены очень
сложные технологические проблемы. Новые инжекторы способны
фокусировать в плазме нейтронные пучки, сводить их к довольно
малому диаметру. Два инжектора из шести уже построены.
Единственное, что мы пока не можем — запустить их на полную
мощность (это связано с отсутствием систем питания). Так или
иначе, к марту следующего года мы расчитываем представить
вниманию общественности установку с усовершенствованными
инжекторами. После этого станет реальным появление умеренного
источника с параметрами 0,5 Мвт на квадратный метр. А от этого
уровня сделать следующий шаг до 2-х мегаватт — уже не
авантюризм. Каждый физик согласится, что это возможно.
Цели и средства
Зачем это нужно? Кто ответит на вопрос, как долго простоит стенка
будущего термоядерного реактора? Нужны срочные материаловедческие
исследования конструкционных материалов. С помощью предложенной
системы это можно сделать. Но это только одна сторона вопроса.
Если такой источник будет построен, на нем можно будет дожигать
радиоактивные отходы. Сегодня на атомных станциях самые опасные
трансурановые элементы накапливаются со скоростью около 500
килограммов в год. Эти полтонны наша установка способна
переработать.
Можно создавать подкритические атомные электростанции, чтобы
никаких Чернобылей в принципе больше не было. Я не хочу
доказывать, что это самое лучшее решение, но, по крайней мере,
такое применение у машины тоже есть.
Найти средства на осуществление этой программы было отнюдь не
просто. Много лет длилось форменное «хождение по мукам». Слава
Богу, министр атомной промышленности А. Румянцев понимает толк в
нейтронах. Он быстро оценил перспективы и возможности и выделил
некие средства, благодаря чему мы завершаем модернизацию
установки. Все делается своими силами в недрах ИЯФа. Если помощь
атомного ведомства будет продолжаться, такая система в стране будет
реализована в самое ближайшее время.
Когда природа помогает физикам
Я здесь больше говорил о преимуществах открытых систем. Но у них
есть принципиальные недостатки. Один из них состоит в том, что,
согласно теории, осесимметричная магнитная система
МГД-неустойчива. Это означает, что в плазме возникают языки,
выбрасывающие ее на стенку. В конце концов, с этим удалось
справиться. Но есть еще одна неприятность, на которую непременно
указывают скептики — сильный поток тепла вдоль оси системы. Если
не принять никаких мер, плазма будет очень быстро остывать через
торцы. Ни по каким расчетам не выходило, что дейтериевую плазму
можно нагреть до сегодняшних 23 миллионов градусов. А получилось!
Редкий случай, когда сама природа пошла нам навстречу.
Оказалось, что при нагревании плазмы сильноточными
релятивистскими электронными пучками в ней возбуждается так
называемая сильная ленгмюровская турбулентность. В свою очередь,
она возбуждает ионный звук, ионно-акустическую турбулентность. И
на этой турбулентности эффективная частота столкновения
электронов с плазмой возрастает в 1000 раз. Соответственно, во
столько же раз сокращается длина пробега электронов, и поток
тепла на стенки оказывается запертым. Так удалось нагреть
электроны.
А нагрев ионов — это отдельная сказка, тоже подарок судьбы.
В многопробочной геометрии электроны греются неодинаково — вблизи
«пробок», там, где силовые линии сгущаются, плотность
электронного тока выше, а нагрев больше. В результате возникают
области более горячей и менее горячей плазмы. Из-за перепадов
давления в системе образуются встречные потоки, которые и
приводят к разогреву ионов. К последним экспериментам я уже не
имел отношения. Но изучение свойств ленгмюровской
турбулентности — наше дело. За него мы получили премию имени Арцимовича в 2001
году. Что же можно предсказать на будущее?
Будущее полно оптимизма
Открытые системы действительно можно довести до термоядерных
параметров. Нынешние 23 миллиона градусов не так далеки от
искомых 100 миллионов. Мы можем указать пути, как поднять
параметры: увеличить длину машины, мощность нагрева… Все в
наших руках. В инженерном смысле открытые системы много проще
замкнутых. Все принципиальные отрицательные моменты уже
преодолены. Так что перспективы есть, и научный мир начинает это
признавать.
Что же дальше? Первый термоядерный реактор будет работать на
дейтерий-тритиевой плазме. Это физики знали с самого начала
термояда. Но эта реакция — вещь не очень приятная, поскольку
радиоактивность все-таки есть, хотя и значительно меньшая, чем на
атомных станциях. Зато впереди — схемы малонейтронного термояда.
Одна из них — использование дейтерия и гелия-3. В этом случае
нейтроны образуются в весьма малом количестве. И преимущество
открытых систем сразу становится ощутимым. Частицы вылетают через
торцы, и вы используете эти частицы, с одной стороны, получая
электрический ток непосредственно, с другой стороны, энергия
выделяется и при торможении частиц вдоль оси системы. Иными
словами, вся энергия вылетающих частиц используется от начала до
конца, что невозможно в замкнутых конфигурациях.
На далекое будущее есть еще более привлекательные системы. Почему
сразу пошла речь о дейтерий-тритиевой реакции? Она самая низкая
по энергетике — всего 100 миллионов градусов. А вот если взять
реакцию типа бор-протон, которая вообще абсолютно стерильна,
никаких нейтронов не дает, то в ней требуется уже миллиард
градусов. Далековато, сложно. Хотя в некоторых отдельных
импульсах на уровне демонстрации на «Токамаках» получено 35 КэВ,
что эквивалентно почти 400 миллионам градусов.
Несомненно, из всех мыслимых энергетик термояд представляется
наиболее чистым. И со временем он может стать абсолютно
экологически чистым. Наши исследования в какой-то степени этому
содействуют. С одной стороны, мы решаем задачи ближайшего
времени — работаем над нейтронным источником, который нужен для
дейтерий-тритиевых реакций. С другой стороны, наши исследования
нацелены на более отдаленные перспективы, когда речь всерьез
пойдет о промышленной термоядерной энергетике. Я думаю, к тому
времени открытые системы будут вполне конкурентоспособны.
Записал Юрий Плотников, «НВС»
Фото В. Новикова
стр. 1, 8
|
