Мирнов Енергия из воды 2007

Л.А. Коврижных, Ленинская премия 1984 г.), ставшую фундаментальным вкладом нашей теоретической плазменной школы, основы которой были заложены, как известно, еще академиком М.А. Леонтовичем.

Теоретическая активность в области неоклассики была с энтузиазмом поддержана зарубежными учеными. Объединенными усилиями удалось осуществить исключительно важное для любой науки разделение новых явлений на “нормальные” и “аномальные”. Попутно были заложены основы последующего международного сотрудничества в области создания токамака-реактора. В частности, почти “нормальным” оказался ионный теплоперенос и аномально высоким – электронный. Тем не менее, оценки размеров токамака-реактора оказались вполне разумными, укладывающимися в рамки современной техники. Но это был уже конец семидесятых. А в начале пятидесятых идея создания квазистационарной плазмы в «сахаровском» торе с током многим казалась безнадежной. Но в будущем Курчатовском институте (он назывался тогда в целях конспирации “Лаборатория Измерительных Приборов”) нашлисьтаки храбрые люди, которые приступили к экспериментам.

Токамак. Предыстория

Ими стали Н.А. Явлинский, И.Н. Головин и их сотрудники. Опыты начались в прямых стеклянных и фарфоровых трубах с сильным магнитным полем. Однако никаких шансов получить в них горячую плазму не было – вся энергия, как с помощью фосфоров тогда же изящно показал В.Д. Кириллов, уходила в излучение: огромное количество примесей поступало с электродов и стенок в плазму. Единственно, что было четко установлено –винтовая неустойчивость, предсказанная Шафрановым.

Чтобы устранить влияние электродов Головин и Явлинский в 1956 г. соорудили первую кольцевую установку ТМП (тор с магнитным полем, до 1,5 Тл). Все последующие аналогичные установки стали называть по предложению Головина токамаками – ТОроидальными КАмерами с МАГнитным полем. Буква «г» начальству не понравилась – почудился намек на нечто

61

магическое, «г» заменили на «к», якобы, для благозвучия. Соответственно пришлось менять «расшифровку» – Тороидальная Камера с Магнитной Катушкой.

Рис.15. Первый ТМП (И.Н. Головин, Н.А. Явлинский (ЛИПАН, СССР

1956 г.)

ТМП (рис.15) был внушительным сооружением. Его фарфоровая камера (R=0,8м а=0,13м), была окружена по совету Сахарова медным кожухом для противодействия расширению плазменного витка по R. Безжелезный индуктор позволял создавать ток в плазме до 150 кА. То есть были предусмотрены все основные атрибуты токамака. Все последующие токамаки повторяют эту схему за исключением ряда деталей: проводящий кожух позднее заменили специальной обмоткой с обратной связью, контролирующей большой радиус плазменного витка, сечение витка из круглого превратили в эллиптическое. Чтобы управлять потоками тепла и частиц на стенку ввели так называемую диверторную обмотку, отклоняющую периферийные магнитные силовые линии в специальную диверторную камеру

(рис.12б).

62

Еще одним полезным дополнением к традиционной схеме впоследствии стали системы вспомогательного нагрева плазмы: пучки нейтральных атомов больших энергий (до 500 кэВ), высокочастотные и сверхвысокочастотные генераторы электромагнитного излучения. Именно благодаря им в конце семидесятых удалось получить плазму с температурой масштаба 10 кэВ. Мощность их, как правило, существенно превышает мощность первичного омического нагрева плазмы протекающим по ней током, тем не менее, иногда шутят, что все токамаки как собаки – на вид разные, а существо одно и то же.

И тем не менее, первый из них – ТМП – оказался токамаком-неудачником с очень холодной и неустойчивой плазмой. Виной тому была фарфоровая стенка – могучий резервуар легко десорбируемых примесей! Несколько улучшила ситуацию стальная спираль (рис.15), помещенная между стенкой и плазмой, Она указала путь - переход к металлической прогреваемой камере. Следующие пять лет оказались годами тяжелого труда – переход на стальные, прогреваемые чуть ли не до 5000 камеры, развитие новых безмасленых средств откачки (ртутные, водяные, сорбционные насосы), небывало точные по тем временам изготовление и сборка элементов магнитной системы и т.д. По ходу дела выяснилось, что совсем незначительные перекосы магнитных катушек, либо даже рассеянные поля трансформатора способны уносить плазму на стенку (Л.А. Арцимович, К.Б. Карташев) Потребовались специальные коррекции. И все это безудержное усложнение эксперимента проходило на фоне очень скромных, почти незаметных новых физических результатов. Можно только восхищаться верой и терпением этих людей. И они были вознаграждены.

Однако одно стало ясно – дальнейшее движение вперед потребует серьезнейшего развития технологии: прежде всего вакуумной и магнитной. Позже, подводя итоги первого этапа термоядерных исследований, Арцимович скажет: “Сейчас всем ясно, что первоначальные предположения о том, что двери в желанную область сверхвысоких температур откроются без скрипа при первом же мощном импульсе творческой энергии

63

физиков, оказались столь же необоснованными, как и надежда грешника войти в царствие небесное, минуя чистилище. И все же вряд ли могут быть какие-нибудь сомнения в том, что проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена. Неизвестно только, насколько затянется наше пребывание в чистилище. Из него мы должны будем выйти с идеальной вакуумной технологией, отработанными магнитными конфигурациями с точно заданной геометрией силовых линий, с программированными режимами электрических контуров, неся в руках спокойную, устойчивую высокотемпературную плазму, чистую, как мысль физика-теоретика. когда она еще не запятнана соприкосновением с экспериментальными фактами”.

Потребовалось шесть долгих лет, строительство целой серии подобных установок, прежде чем удалось получить оторванный от стенок плазменный шнур с невероятной по тем временам температурой в один миллион градусов. Случилось это незадолго до гибели Явлинского в авиационной катастрофе. Ему удалось увидеть первые результаты своих трудов. После его смерти токамаки возглавил сам Арцимович.

Отношение к ним в термоядерном научном мире было в то время, мягко говоря, снисходительным. Во всех тогдашних магнитных ловушках плазма оказывалась совершенно неустойчивой. Ее поверхность, подобно солнечной, кипела протуберанцами, выбрасывающимися на стенку камеры, как если бы никакого магнитного поля не было. Дополнительный электрический ток в таких условиях давал плазме дополнительные степени свободы, то есть мог только усугубить ее бесчинства. Предпочтение дружно отдавалось стеллараторам. Однако неожиданно выяснилось, что сплющенное и закрученное в винт стеллараторное магнитное поле требует к себе сверхделикатного отношения. Малейшие неточности в изготовлении или в расстановке создающих его магнитных катушек безнадежно портят ловушку – магнитные силовые линии, а с ними и плазма “утекают” на стенку. В середине шестидесятых стеллараторы наткнулись на это препятствие и явно замедлили продвижение.

64

Токамаки между тем продолжали двигаться вперед – температура получаемой в них плазмы постепенно росла. За счет чего? Прежде всего, за счет совершенствования той самой плазменной технологии, о которой говорил Арцимович. Мы просто больше узнавали о плазме, о ее вкусах, привычках, часто обнаруживая, что сами провоцировали ее на “бесчинства”. Процесс был долгим и мучительным, но типичным для нормальной науки.

В начале 1962 г., через шесть лет после начала опытов на ТМП, на новом небольшом токамаке ТМ-2 (R=0,4м, а=10 см) Е.П. Горбуновым и К.А. Разумовой был впервые обнаружен невиданный доселе в термоядерных исследованиях режим разряда без каких-либо значительных колебаний плазменных параметров. Помнится, где-то весной 1962 г. худенькая черноволосая женщина с замашками социал-революционерки начала века, спокойно и толково рассказывала эту невероятную новость на текущем семинаре Отдела плазменных исследований Курчатовского института. Полученная из электропроводности температура электронов достигла в ее плазме чуть ли не ста электронвольт (106 К!). Начальник отдела – известный скептик Арцимович – тут же предположил, что речь идет о бетатронном эффекте, о группе ускоренных электронов. Тем более, что такие электроны наблюдались эпизодически на всех токамаках, начиная с ТМП (В.С. Стрелков). Величие момента было как-то стерто, потребовалось семь лет перекрестных измерений (мягкий рентген, диамагнетизм, лазерное рассеяние), чтобы убедиться окончательно: это температура. Английские измерения на Т-3 поставили в этой истории последнюю точку.

Оборачиваясь сегодня назад в попытках понять, что же тогда происходило, мы с полным на то основанием исчисляем новейшую историю токамака с весны 1962 г., с устойчивых режимов ТМ-2, когда впервые удалось отчетливо наблюдать “эффект токамака” – образование устойчивого плазменного шнура, результат причудливой интерференции электронного ускорения, столкновительных процессов переноса и различных плазменных неустойчивостей. Сегодня, когда пройден баснословный путь от тех 100 эВ на крошечном ТМ-2 до

65

современных сверхгигантов с температурами 40 кэВ, становится очевидным, что токамак - один из уникальных физических объектов, рожденных наукой ХХ века, прибор, позволивший заглянуть в мир звездных температур. Но мир един, дальнейшее доскональное изучение физики токамака помимо его реакторных приложений обещает существенно расширить понимание физики звездных сред, прежде всего их неустойчивостей, то есть, понять в конечном итоге механизмы работы естественных термоядерных реакторов. Во всяком случае, получение квазистационарной физической реакции синтеза на Т-3 и Т-4 спровоцировало мощное движение в этом направлении. Советская наука внесла здесь основополагающий вклад.

Следующим принципиальным этапом в развитии программы токамаков стало получение плазмы с реакторными ионными температурами (до 7 кэВ) на токамаке PLT (США,1978). Это замечательное достижение явилось результатом введения двух новаций: дополнительного нагрева плазмы мощными пучками нейтральных атомов и перехода на новые материалы. А именно, под влиянием успешных опытов с графитами на токамаках Франции и СССР элемент камеры PLT, непосредственно контактирующий с плазмой (его называют лимитер, или – диафрагма), наши друзья и коллеги из Принстона изготовили не из традиционных (вольфрама или нержавеющей стали) а из графита. Успех PLT явился трамплином для создания токамаков гигантов: JET, JT-60, TFTR, (у нас Т-15 ). Размеры их оказались всего лишь в 2-3 раза меньше предполагаемых реакторных. Сегодня их исследовательские программы либо завершены, либо завершаются (Т-15 с 1992 г. был фактически законсервирован из-за отсутствия средств на эксперименты).

Что они дали? Из уже упомянутого буклета Министерства энергетики США (см. рис.10 ) следует, что термоядерная мощность, произведенная в токамаках возросла с 1975 по 1995 гг. примерно в 100 миллионов раз: от 0,1 ватта до более чем 10 миллионов ватт.

66

Рис. 16. Компьютерный разрез установки JET: 1 – сердечник трансформатора, 2 – разрядная камера (без защиты), 3 – первичная обмотка трансформатора, 4 – механические структуры камеры, 5 – полоидальные витки, обеспечивающие равновесие и форму плазменного шнура (EUR 15290)

Рис.17. Общий вид JET

Как уже упоминалось выше, 30 октября 1997 г. в одном из заключительных экспериментов с DT-смесью 50/50% на токамаке

67

JET (рис.16, рис.17) была достигнута мощность ядерного энерговыделения более 16 МВт при полной мощности дополнительного нагрева около 25 МВт. Эксперимент закончился локальным сбросом энергии (малым периферийным срывом), внешне напоминающим солнечную вспышку – явлением более или менее понятным. Однако накануне его энергия плазмы еще продолжала возрастать. Расчеты показали, что в этот момент ядерное энерговыделение примерно сравнялось с мощностью плазменных потерь (P = W/ τE). Этот рубеж называют режимом «перевала».

Тем самым совершилось вполне историческое событие в исследованиях по УTC – достижение режима “перевала”или Q=1, хотя пока только в переходном импульсном режиме. На рис.18 для этого случая представлен временной ход основных параметров плазмы в процессе нагрева: мощности DT-синтеза, (Ряд) энергии плазмы (W), электронной плотности (n), эффективного (среднего) заряда плазмы – Zeff≈2, температуры ионов, электронов и свечения спектральной линии дейтерия Dα как индикатора взаимодействия плазма-стенка. Пока этот импульс еще далек и от стационарного, и даже квазистационарного (с длительностью t>>τE ≈1c), необходимого для реактора.

а

б

Рис.18. Временной ход основных плазменных параметров в процессе рекордного DT-импульса JET с мощностью энерговыделения 16,1 МВт (Dα(t)) – cвечение спектральной линии дейтерия вблизи стенки как индикатор взаимодействия плазма – стенка (а), разрез магнитных поверхностей JET (б)

68

В квазистационарных режимах (t>5с) Q составляет пока не более ≈ 0,22. Однако достижение квазистационарного Q≈1 кажется делом времени.

Благодаря чему удалось это сделать? Прежде всего, благодаря дальнейшему развитию технологии термоядерного эксперимента. На рис.19 изображен современный вид плазменной камеры JET в процессе подготовки эксперимента. Видны решетчатые антенны высокочастотного нагрева плазмы, внизу диверторный канал – приемник горячих ионов и электронов, вытекающих из горячей зоны на стенку. Стенки камеры и канала защищены графитовыми панелями. На их поверхность нанесен тонкий слой бериллия. На рис.20 JET в действии. Плазма с температурой 100 миллионов градусов прозрачна в кадре видеокамеры – спектр ее теплового излучения далеко смещен из видимого света в область ультрафиолета и рентгена. Лишь яркий белый свет в районе диверторного канала и защитных экранов выдает места контакта невидимки с предметами реального мира.

Рис.19. JET изнутри, подготовка к эксперименту

69

Рис.20. Вид на «термоядерное пламя»

Чем выделен режим с Q ≈ 1? Q=1 мало для “чистого” реактора. Но, как уже упоминалось, имея мощный источник быстрых (14 МэВ) нейтронов и поместив в бланкет природный или даже “отвальный” (U238) уран, можно было бы удесятерить тепловую мощность, превратить ее затем в электричество (30%) и далее – в мощность источников дополнительного нагрева ( 30%), замкнув тем самым энергетический цикл реактора УТС. Эта схема чем-то напоминает схему первых “водородных” бомб («Природа», 1990. №8). Фактически речь идет о глубоко подкритическом (т.е. безопасном) реакторе деления с независимым источником нейтронов. Нужен ли такой реактор? При этом теряется важное преимущество DT-cинтеза – отсутствие делящихся материалов в бланкете реактора. Тем не менее, это – этап выхода экспериментальных устройств УТС на уровень первых, пусть символических, технических применений.

ИТЭР – путь к «зажиганию»

Следующим логическим шагом программы управляемого синтеза должно было бы стать создание, так называемого, токамака-реактора с зажиганием. Дело в том, что, как уже

70