Журнал «Вокруг Света» №10 за 2008 год

На первом пути наибольших успехов удалось добиться, изолируя горячую плазму от контакта с холодными стенками реактора с помощью магнитного поля. Это технология магнитного удержания. Она основана на способности магнитного поля оказывать давление на плазму и снижать ее теплопроводность. Современные сверхпроводящие электромагниты могут поддерживать в большом объеме магнитное поле напряженностью 5—6 тесла, создающее давление около 100 атмосфер. Опыт показывает, что для надежного удержания давление плазмы не должно превышать нескольких процентов от этой величины. При температуре в 100 миллионов градусов это соответствует концентрации около 1020 частиц на кубометр. Это примерно в 200 000 раз меньше плотности воздуха — по существу высокий вакуум. Для получения положительного выхода энергии такую плазму нужно удерживать несколько секунд. В проекте строящегося сейчас первого термоядерного реактора ИТЭР заложены как раз такие параметры: давление магнитного поля 120 атмосфер, давление плазмы — около 3 атмосфер, время удержания — 3—4 секунды. За это время, характеризующее скорость потери частиц и тепла, прореагирует большая часть содержащегося в камере топлива. Если непрерывно компенсировать эти потери и одновременно удалять продукт реакции — гелий, разряд можно поддерживать значительно дольше. В ИТЭР поначалу он будет длиться несколько минут, а позднее его попробуют приблизить к часу.

Второй подход реализован пока только в термоядерной бомбе. Топливо здесь имеет плотность твердого тела, а то и еще выше — за счет сжатия при срабатывании запала в виде атомной бомбы. Давление такой плазмы составляет миллионы атмосфер, и противостоять ему, конечно, невозможно. Но выиграть какое-то время позволяют силы инерции — даже при огромном давлении расширение вещества не может произойти мгновенно. Такой способ удержания называют инерционным, поскольку кроме инерции плазму ничто не удерживает. Она разлетается со скоростью звука, которая при температуре 100 миллионов градусов составляет около 600 км/с. За 5 миллиардных долей секунды плазма расширится на 3 миллиметра. Как раз такого размера термоядерные заряды можно безопасно взрывать в камере реактора в виде прочной сферы диаметром метров 10. Энергия подобного «микровзрыва» составит около миллиарда джоулей, или 250 килограммов тротила. Если взрывы повторять 5 раз в секунду, то с учетом КПД преобразования энергии электрическая мощность реактора получится около 1 миллиона киловатт.

Стелларатор Wendelstein 7-X, Германия. Монтируется одна из 50 магнитных катушек. Фото: IPP GREIFSWALD/EFDA JET

Самоподдерживающаяся реакция

Чтобы запустить термоядерный синтез, плазму нужно нагреть. Но когда реакция уже началась, она сама может помочь в поддержании нужной температуры. В реакции дейтерия с тритием 80% выделяющейся энергии уносит нейтрон, а 20% — ядро гелия. Чтобы использовать энергию нейтронов, термоядерный реактор окружают специальной стенкой — бланкетом, содержащим замедлители нейтронов и каналы с охлаждающей жидкостью. Эта энергия передается водяному пару и преобразуется в электричество. Но в подогреве плазмы нейтроны участия не принимают. Зато 20% энергии, приходящейся на долю ядра гелия, использовать для этого можно. Благодаря электрическому заряду ядро гелия в столкновениях с электронами и ядрами дейтерия и трития отдает им свою энергию. Если еще наложить магнитное поле, чтобы замедлить уход ядер гелия, их энергия пойдет на нагрев плазмы почти полностью. Тогда реакция сможет поддерживать себя сама, а источники тепла, которые использовались для первоначального нагрева плазмы до зажигания, можно будет выключить.

Лазерное зажигание