15
На пути к энергетике будущего
Развитие цивилизации неразрывно связано с увеличением производства энергии. Наноблее заманчивым путем является использование энергии синтеза ядер тяжелого водорода, запасы которого необходимо велики (см. «Физика-10», § 145). При этом проискодят следующие реакции:
(1)
(2)
В первой их них два ядра тяжелого водорода превращаются в ядро легкого геля и нейтрон, во второй — в ядро сверхтяжелого водорода и протон. Одновременно освобождается большое количество энергии. Еще больше энергии можно получить за счет реакции между тяжелым водородом и искусственно созданным сверхтяжелым водородом:
(3)
Так как atomные ядра имеют положительные электрические заряды и отталкивают друг друга, реакции синтеза могут идти только в веществе, ядра которого обладают большой кинетической энергейой, достаточно для совершения работы против сил отталкивания. А это значит, что указанные ядры реакции могут реализовать, когда вещество нагрето до очень высокой температуры. Поэтому такие реакции называются термодерными. Для осуществления интегированных термодерных реакций (1—2) нужно нагревать тяжелый водород до несколько сотен миллионов градусов и поддерживать такую температуру хотя бы в течение нескольких секунд. Реакцию (3) можно наблюдать при температуре около 100 миллионов градусов. При таких температурах вещество переходит в состояние плазмы — atoms водорода распадаются на составляющие их электроны и atomные ядра. Для того чтобы плазма нагреенно «не убежала» на холодные стены окружащего ее сосуда, надо поместить ее в магнитное поле. При этом слала Лоренца, действующая на каждую заряженную частьцу, заставит ее «навивать» на линии магнитной индукции, преястствуяуходу части на стенки сосуда (см. «Физика-9», § 93).
Создание термоядерного реактора является чрезвычайно сложной научно-технической задачей. Учены и инженеры уже почти трицать лет занимаются попсками путье ее решения. Наноблее заманчивым путем является использование энергии синтеза ядер тяжелого водорода, запасы которого необходимо всего лишь один виток. Этот виток образован замкнутой колцевой камерой в форме тора (бублика). Камеру заполняется водородом при низком давлении. Пропуская ток большой силы по первичной обмотке такого трансформатора, вызвывает электрический пробой в заполняющем камеру газе. Водород NONизуется, а текущий через него вторичный ток нагревается его до очень высокой температуры. Колцевой ток под действием магнитных сил стягивается в тонкий плазменный шур, так как параллельные одинаково направленные токи пригиваются (см. «Физика-9», § 88). Для успешного изоляции водородной плазмы используется дополнительное магнитное поле, создавшее электромагнитом, катушки которого намогают на внешнюю поверхность тора. Слово «токамак» образовано от первых слотов названной основных элементов установки (ТОрондальная КАмера в МАГнитном поле). Сейчас в различных странах работает более 50 токамаков.
Есть принципиальное понятие путь к управляемым термоядерным реакциям. Термоядерный синтез может быть осуществлен на основе периодических микроверзивов небольших порций твердого термоядерного топлива (водорода). Лучи мощного лазера или плотные пучки электронов,ускоренных до скорости, близких к скорости света, в принципике, могут скимать и нагревать твердую миньень с термоядерным топливом до таких высоких значений плотности и температуры, при которых термоядерная реакция успешает пройти в веществе минения за доли наносекунд. Этот путь также исследуется советскими учеными.
В нашей стране работает по управляемым термоядерным реакциям ведутся широким фронтом. В этом фотоочерке расскажется о некоторых термоядерных исследованиях, осуществляемых в Институтеatomной энергии имени И. В. Курчатова. Фотографии выполнены В. Ободзинским.
Читательям, которые хотели бы детальнее познакомиться с рассматриваемыми здесь проблемами, рекомендуем стать:
В. Кадомцев. Путь к термоядерной энергетике. «Наука и жизнь», 1976, № 1, с. 44; В. Кадомцев. Физика токамаков. «Природа», 1979, № 2, с. 21.
16
Рис. 1. Одной из крупнейших в мире термоодерных установок является «Токамак-10», вступивший в строй в 1975 году. Термература плазмы в нем достигнет 13 миллионов градусов. Плотность плазмы близка к ее значению у будущих технческих термоодерных реакторов. Для создания таких реакторов, в принципие, достаточно значительное увеличить размеры торидальной камеры. Поэтому «Токамак-10» можно считать прообразом будущих термоодерных электростанций.
Рис. 2. В последнее время разработывается метод дополнительного нагрева плазмы с помощью «приискивания» в нее ядер водорода, разогнанных до высоких скоростей на специальныхускорительных устройства. В высокотемпературной плазме также частицы образуют еще более горячую компоненту.
Стакливаясь с частицами более холодной компоненты, они отдают им часть своей кинетической энергии, тем самым повышая температуру плазмы. Подобный способ нагрева плазмы изучается на изображенной здесь установке «Токамак-11» с двумя инженерами (приискивающими)ускоренных ядер водорода.