«Наука в Сибири»
№ 1-2 (2537-2538)
13 января 2006 г.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Из доклада ак. Э. Круглякова.
 |
В наступающем 2006 году будет отмечаться историческая дата всемирного значения — рассекречивание работ по управляемому термоядерному синтезу (УТС). Это событие произошло в 1956 г. в дни пребывания Н. Хрущева и ак. И. Курчатова в Англии. Руководитель атомного проекта И. Курчатов сделал научный доклад об экспериментальных термоядерных исследованиях в СССР.
Когда стало ясно, что создание термоядерной энергетики — дело отнюдь не близкого будущего, Курчатов решился и раскрыл содержание исследований советских физиков, — так прокомментировал в своем докладе Э. Кругляков беспрецедентный поступок ученого, перевернувшего мир.
Э. Кругляков обрисовал драматическую панорамную картину становления и развития мировых термоядерных исследований, физики плазмы, строительства физических установок, выделяя крупные этапы.
Термоядерной энергетики еще не существует. Термояд нашел себе единственное «практическое» применение — в водородной бомбе. Поворотным событием стала Международная конференция по мирному использованию атомной энергии, состоявшаяся в Женеве в 1958 г. Ее главные участники, представлявшие Англию, США и СССР, где в конце сороковых годов уже велись исследования, связанные с созданием водородного оружия, а с начала пятидесятых годов начались систематические исследования по управляемому термоядерному синтезу (УТС), «раскрылись». Выяснилось, что большинство подходов к разработке проблемы УТС в основном совпадают. За одним исключением.
Процесс самоподдерживающихся термоядерных реакций может происходить лишь в плазме — ионизированном газе, состоящем из положительно заряженных ядер и электронов. Это состояние характерно для подавляющей части видимого вещества Вселенной, включая звезды.
На Солнце и звездах плазму надежно удерживает гравитация. Поэтому, пояснил Э. Кругляков, при максимальной температуре «всего» в 16 миллионов градусов на том же Солнце, термоядерные реакции идут с выделением гигантских мощностей. В земных термоядерных реакторах плазму потребуется нагреть до 100-200 миллионов градусов. Как же в земных условиях удержать высокотемпературную плазму от разлетания? Это основная проблема УТС. На Земле существуют только два пути — удержание частиц в магнитном поле и так называемое инерциальное удержание плазмы (эта концепция использовалась для создания водородного оружия).
Отмечая исторические события полувековой давности, Э. Кругляков назвал имена физиков, чьи идеи стали определяющими на пути к созданию термояда. Работы И. Тамма с участием Н. Боголюбова связаны с анализом поведения плазмы в магнитном поле. А. Сахаров развил идею замкнутого магнитного термоядерного реактора (1950 г.). Годом позже, в 1951 г., американский физик Л. Спитцер предложил концепцию еще одной замкнутой системы, названной стелларатором. Вообще-то, А. Сахаров рассматривал две схемы удержания плазмы в замкнутой конфигурации. Первый подход состоял в том, что одновременно с созданием тороидального магнитного поля он предложил пропустить ток по плазме вдоль по направлению магнитного поля в тороиде (в обиходе тороид соответствует по форме бублику). В этом случае в плазме образуется винтовое магнитное поле, которое снимает проблемы нежелательных дрейфов частиц. Второй подход соответствовал созданию винтового магнитного поля в тороиде за счет внешних проводников. А. Сахаров отказался от такого решения, посчитав его слишком сложным. Идея А. Сахарова была реализована в СССР, а подобные системы стали называться ТОКАМАКами (аббревиатура словосочетания ТОроидальная КАмера МАГнитная. Букву Г заменили на К для благозвучия).
Стеллараторы сложнее токамаков. Э. Кругляков для иллюстрации продемонстрировал на экране фантастически устрашающий внешний вид обмоток стелларатора, строящегося сейчас в Германии. Тем не менее, физики от них не отказываются. У стеллараторов есть свои достоинства, которые могут оказаться решающими.
Одновременно развивались альтернативные концепции, в первую очередь, так называемые открытые магнитные ловушки. Кстати, Земля — естественная открытая ловушка. Практически одновременно и независимо, как подчеркнул докладчик, идея магнитной системы удержания открытого типа была сформулирована в 1953 г. Р. Постом в США и Г. Будкером в Советском Союзе. Через шесть лет справедливость концепции была подтверждена в эксперименте, проведенном С. Родионовым, сотрудником только что созданного в Новосибирске Института ядерной физики, основателем и первым директором которого был Г. Будкер.
Рассказывая о трудностях, с которыми столкнулись физики, Э. Кругляков говорил о недостаточности знаний свойств плазмы. Тогда, в пятидесятые годы, фундаментальные исследования по физике плазмы только начинались. В частности, было совершенно неясно, как диффундирует плазма поперек магнитного поля. Если реализуется классическая диффузия (при этом скорость ухода плазмы поперек обратно пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля), то термоядерный реактор будет иметь разумные размеры. Но масла в огонь подлил американский физик Д. Бом. Анализируя результаты экспериментов с низкотемпературной плазмой в магнитном поле, он пришел к выводу о том, что коэффициент диффузии обратно пропорционален первой степени удерживающего магнитного поля. Если это так, то термоядерный реактор должен иметь циклопические размеры. Несмотря на кажущуюся простоту, вопрос о характере диффузии оказался крайне сложным. Так, Л. Спитцер в 1958 г., анализируя результаты, полученные на стеллараторе, пришел к неутешительному выводу о существовании бомовской диффузии. Б. Кадомцев в 1961 г., на основе анализа первых советских экспериментов на открытой ловушке с «палками Иоффе», опроверг существование бомовской диффузии. Обе точки зрения удалось примирить будущим академикам А. Галееву и Р. Сагдееву из Института ядерной физики. Им удалось создать «неоклассическую теорию» диффузии плазмы для замкнутых магнитных конфигураций, которая объяснила наблюдавшиеся противоречия. Надо отметить, что эта теория не потеряла своего значения до сих пор.
Интересно, что хотя шестидесятые годы прошли под знаком бурного
роста параметров советских токамаков, все же эти результаты
вызывали сильное недоверие в научном мире (параметры плазмы,
удерживаемой во многих других системах, существенно уступали
плазме токамаков). Л. Арцимович, который в то время возглавлял
исследования на токамаках, заключил пари с американскими физиками
из Принстона, после чего пригласил английских физиков в
Курчатовский институт для измерения электронной температуры самым
надежным методом томсоновского рассеяния. В 1968 году на
Международной конференции МАГАТЭ по физике плазмы и управляемым
термоядерным реакциям, состоявшейся в Новосибирске, произошло
важное событие. В совместном докладе английских и советских
физиков было показано, что на токамаке
Далее докладчик говорил об абсолютных мировых рекордах конца
семидесятых годов: на токамаке PLT (США) была получена ионная
температура 7 кэВ, а несколько позднее на советском токамаке
Говоря о значительных результатах современной мировой программы УТС, докладчик выделил европейский токамак JET, на котором получена рекордная ионная температура — 400 млн градусов. Там же в нейтронах реакции дейтерия с тритием выделена мощность, превышающая 16 МВт. А это уже серьезно, прокомментировал Э. Кругляков.
Еще несколько интересных фактов.
На единственном работающем сегодня крупномасштабном сверхпроводящем токамаке TORE SUPRA высокотемпературная плазма удерживалась в течение 4,5 мин. Этот эксперимент доказал, что стационарное поддержание сахаровского тороидального тока в токамаке возможно.
На трех крупнейших токамаках мира — TFTR, JET и JT-60U была достигнута поставленная цель: получена величина параметра Q порядка единицы (Q — отношение энергии, выделяемой в термоядерных реакциях, к энергии, потребляемой на поддержание плазмы). Причем на японском JT-60U эта величина даже превзошла целевую — 1,24.
Одновременно развивались и альтернативные системы. На японском сверхпроводящем стеллараторе LHC получена высокотемпературная плазма, по своим параметрам лишь немного уступающая плазме крупнейших токамаков. Существование плазмы в этой системе удалось непрерывно поддерживать в течение 3,5 часов.
Несколько слов об открытых магнитных ловушках. Сегодня это направление развивается в России, Японии и Корее. Лидером здесь является Институт ядерной физики СО РАН, где предложены и реализуются все три современных концепции удержания плазмы в открытых системах. На многопробочной установке ГОЛ-3 с помощью уникального метода нагрева плазмы сильноточным релятивистским электронным пучком удалось получить электронную и ионную температуру в 23 миллиона градусов. При этом плотность плазмы оказалась почти в сто раз выше, чем в токамаках. Никаких ограничений,запрещающих дальнейший рост параметров плазмы, не обнаружено. Установка ГОЛ-3 позволяет получать огромные продольные потоки плотности энергии в электронно горячей плазме (до 50 мДж/м2). Это весьма полезно для исследования энергонапряженных критических режимов в Международном экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР. На установке обнаружен интересный эффект. Оказалось, что при плотности энергии до 10 МДж/м2 разрушения материала (графит) не происходит. Далее начинается объемное разрушение. На основе газодинамической ловушки — ГДЛ — можно создать компактный источник термоядерных нейтронов, с плотностью потока 2 МВт/м2 при размере испытательной зоны порядка 1 м2. Для материаловедов этого достаточно. Впрочем, как и для многих других приложений.
Мировое термоядерное сообщество, Европейская комиссия по подготовке следующего шага термоядерной программы констатировали еще в 90-х годах, что необходим мощный источник термоядерных нейтронов и что это проблема чрезвычайной срочности. Такой источник должен быть неотъемлемой частью программы ИТЭР. Естественно, что ияфовские эксперименты привлекают внимание многих научных групп.
Мировое плазменное сообщество, как сказал Э. Кругляков, потратило около 15 лет на разработку проекта международного экспериментального термоядерного токамака — реактора ИТЭР. В проекте сейчас участвуют Европейской Союз, Россия, США, Япония, Китай, Корея. В 2005 году принято принципиальное решение об участии в проекте Индии. На очереди — Бразилия.
Хотя разработка ИТЭР завершилась несколько лет назад, начало строительства откладывалось. Наконец, 28 июня 2005 г. министры иностранных дел стран-участниц подписали соглашение о начале строительства в Кадараше (Франция) первого в мире экспериментального термоядерного реактора. По словам Э. Круглякова, от начала до завершения проекта пройдет 20 лет. Следующий шаг — строительство экспериментальной термоядерной электростанции ДЕМО. Чтобы ее построить, потребуется еще десять-пятнадцать лет. Таким образом, заключил докладчик, термоядерная энергетика может дать ощутимый вклад в мировую энергетику лишь во второй половине XXI века.
Нужно ли заниматься столь долгосрочными проектами? Ведь продолжительность работы от начала исследований и до появления мирной термоядерной энергии — почти 100 лет. По этому поводу докладчик зачитал оригинальное высказывание Нобелевского лауреата, академика В. Гинзбурга о проблеме УТС: «Это огромной важности, но все еще нерешенная проблема. Поэтому я бы убрал ее из списка приоритетов только после того, как первый термоядерный реактор начнет работать».
стр. 13