Страницы истории науки и техники

Еще более сложной задачей является сохранение (удержание) плазмы. Не может быть и речи, конечно, о соприкосновении плазмы со стенкой — на свете нет такого материала, который остался бы цел (не испарился бы) после такого соприкосновения. В токамаках удержание плазмы производится с помощью магнитного поля. Решающим является то, что плазму составляют частицы, имеющие электрический заряд, — ядра атомов и электроны, на которые можно воздействовать магнитным полем.

Высокотемпературная плазма в токамаке помещается в сосуде, который имеет форму кольца, схож с баранкой или спасательным кругом. Такое геометрическое тело называется тором. С помощью магнитной системы, размещенной вне тора, создается сильное магнитное поле, интенсивность которого возрастает по мере удаления от оси кольцевого канала тора. Плазма отжимается магнитным полем к оси канала тора. Именно в этом и заключается простая, но всегда восхищающая тех, кто с ней знакомится, идея токамака.

Для того чтобы термоядерная реакция могла протекать с большим выделением энергии, требуется еще иметь необходимую концентрацию ядер дейтерия и трития в единице объема (иначе говоря, плотность плазмы), а также достаточное время удержания плазмы. Эти две величины взаимосвязаны: чем выше концентрация ядер атомов, тем меньше необходимое время удержания и наоборот. Численно эта зависимость выражается критерием Лоусона: для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы имеется минимально необходимое значение произведения концентрации ядер и времени удержания плазмы. Для D + Т-реакции и температуры 100 млн. градусов критерий Лоусона равен 3·10¹⁴. Это значит, что при концентрации ядер атомов, равной 10¹⁴ 1/см³, время удержания плазмы должно быть во всяком случае не меньше секунды.

Как же обстоит дело в настоящее время с достижением необходимых значений температуры плазмы, концентрации ядер атомов и времени удержания?

Необходимая для D + Т-реакции температура пока еще не достигнута. Удалось, правда, подойти к ней довольно близко. Возможно, для достижения требуемой температуры окажется целесообразным впрыскивать в плазму разогнанные в ускорителе элементарные частицы высокой энергии.

В соответствии с критерием Лоусона для D+Т-реакции при уже достигнутой плотности плазмы 10¹⁴ 1/см³ и еще не достигнутой температуре 100 млн. градусов нужно время удержания более секунды. Пока еще оно менее десятой доли секунды.

Получение необходимой температуры и времени удержания плазмы в большой мере зависит от размеров реактора. Снова приходится сталкиваться с геометрическим фактором: отношением поверхности объекта к его объему. Оказывается, из камеры токамака, в которой заключена плазма, несмотря на магнитное поле, все-таки происходит утечка частиц (относительная, выраженная, например, в процентах) так же, как утечка нейтронов из активной зоны атомного реактора; она становится тем меньше, чем больше объем камеры токамака, т. е. чем меньше отношение величины поверхности камеры к ее объему. Этот вывод проверен практикой.

Следовательно, способ увеличения времени удержания и температуры плазмы токамака найден — это увеличение размеров установки. Можно предполагать, что трудные задачи — повышение температуры и плотности плазмы — будут решены.

По-видимому, первыми войдут в практику гибридные ядерно-термоядерные реакторы. Примерно 80 % энергии, образующейся в результате термоядерной реакции, приходится на долю рождающихся в реакции нейтронов, а 20 % — на долю ядер атомов гелия (а-частиц), также рождающихся в результате слияния ядер дейтерия и трития. Нейтроны, не имеющие электрического заряда, а потому не подвергающиеся действию электромагнитного поля, свободно выходят из плазмы и попадают в окружающую камеру оболочку, именуемую бланкетом (от англ, blanket — одеяло).

В гибридном ядерно-термоядерном реакторе бланкет должен содержать исходное ядерное топливо («атомное сырье»)— ²³⁸U или ²³²Th. Под действием очень быстрых нейтронов, образующихся при термоядерной реакции, оно преобразуется в ²³⁹Pu или в ²³³U, атомные ядра которых обладают свойством самопроизвольного деления. В бланкете также должны быть каналы с циркулирующим по ним теплоносителем, которому передается тепло, образующееся за счет поглощения быстрых нейтронов и в результате деления ядер ²³⁹Pu или ²³³U. Тепло, воспринимаемое теплоносителем, используется, например в паросиловой установке, для производства электрической энергии.

Таким образом, в гибридном ядерно-термоядерном реакторе термоядерная D+T-реакция используется как источник нейтронов, а сам реактор «исполняет обязанности» атомного реактора па быстрых нейтронах (реактора-размножителя). Другими словами, с помощью гибридного реактора будет производиться электроэнергия и осуществляться выработка ядерного топлива — ²³⁹Pu или ²³³U. По мнению специалистов, к параметрам термоядерной реакции, используемой в гибридном реакторе, предъявляются «льготные» требования.