Энергия будущего
Шрифт:
Одной идеи сжатия плазмы в шнур магнитным полем, возникающим при течении тока, как это делалось в первых опытах, оказалась недостаточно. Плазма утекала через торцы такого устройства, а неустойчивости приводили к тому, что плазменный шнур распадался. Что же такое неустойчивости и отчего они зависят?
Перетяжка плазменного шнура и сжимание его з нить в одном из мест явление, с которым столкнулись физики-экспериментаторы, - это лишь один пример неустойчивости. Причиной его является неустойчивое равновесие плазмы. Обычно события развиваются так. Из-за случайного малого возмущения в плазме толщина шнура в каком-либо
(эта неустойчивость иногда и именуется "сосисочной"), отбрасывается к стенкам и гаснет. Как же упрочнить плазменный шнур и продлить жизнь плазмы?
Теоретики предложили ввести внутрь плазмы продольное магнитное поле. По их замыслу, оно создаст жесткий каркас - стержень, противостоящий кольцевому магнитному полю, охватывающему плазму. В такой системе кольцевые магнитные линии, сжимающие плазменный шнур, встретят на своем пути не только собственно плазму, но и пружинящие продольные магнитные силовые линии, препятствующие перетяжкам.
Получить продольное магнитное поле просто. На камеру наматывают витки проводника и пропускают через него ток, который и создает магнитное поле вдоль плазменного шнура. Применение этого несложного способа резко повысило устойчивость плазмы. Оказалось, что осевое магнитное поле эффективно противостоит и другому виду неустойчивости - изгибу плазменного шнура. А ведь было так, что небольшой его изгиб увеличивался до тех пор, пока шнур не соприкасался со стенкой, что и служило причиной его уничтожения.
Предложенное продольное осевое поле изменило картину: действуя как стержень, вставленный в плазму, оно не допускает ее изгиба.
Мы привели только два примера неустойчивости плазмы и рассказали о некоторых способах повышения ее устойчивости. Неустойчивостей же много, очень много, и они сдаются, уступая настойчивости и изобретательности теоретиков и экспериментаторов.
К сожалению, управление термоядерной реакцией связано не только с устойчивостью плазменного шнура.
Заряженные частицы плазмы способны изменять свою траекторию и убегать из термоядерного реактора. Картина эта выглядит так. Заряженная частица плазмы, пытающаяся двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям, под действием поля изменяет свою траекторию на круговую. При достаточно сильном магнитном поле она начинает двигаться по спирали вдоль магнитной силовой линии. Но если поперек магнитных линий ей путь закрыт, то вдоль линии она может двигаться и через торцы объема покидать реактор. Как же удержать этих беглецов?
Для этого есть две возможности. Во-первых, можно буквально свернуть магнитные силовые линии и саму камеру в виде бублика, образовав тем самым тороидальную систему, у которой нет концов.
Второй путь - усиление на концах (торцах) камеры магнитного поля. Резкие всплески напряженности этого магнитного поля на торцах как магнитные пробки закроют концы камеры и не пустят или, если быть более точным, почти не выпустят беглецов. Эти магнитные пробки американские ученые назвали магнитными
Так был преодолен еще один рубеж, позади осталась еще одна трудность. Но, как это часто бывает, сразу же появилась новая Оказывается, частицы плазмы могут все же перемещаться не только вдоль линий магнитного поля, но и, к сожалению, поперек их.
Хотя они в основном и "привязаны" к магнитным силовым линиям, тем не менее могут переходить от одной из них к другой, перемещаясь постепенно к границе плазмы - к стенкам камеры. А происходит это по разным причинам: при столкновении частиц одна из них может перескочить со своей спирали на соседнюю и передвинуться так поближе к стенке камеры. Есть и еще одна причина: в неоднородном магнитном поле (а в тороидальной установке магнитные силовые линии гуще с внутренней стороны баранки и реже с внешней)
происходит разделение электрических зарядов. Под действием возникающего электрического поля плазма медленко движется (дрейфует) в направлении, перпендикуляр! ом магнитному полю и в конце концов соприкасагтся со стенками камеры. Найдены эффективные методы борьбы и против такого явления.
Для проверки теоретических представлений о поведении плазмы в магнитных полях в СССР, США, ФРГ, Англии, Франции и Италии создана целая серия различных экспериментальных установок. Невозможно даже бегло рассмотреть их все. Но с отдельными познакомиться полезно.
Токамаки, стеллараторы и другие
Больше всего собралось различных установок по изучению УТС в Институте атомной энергии. Если с площади И. Курчатова посетитель пройдет на территорию института, то окажется в большом сосновом бору.
Одна из дорог приведет к домику И. Курчатова - "хижине лесника", а в 200 метрах он увидит здание первого в Европе реактора Ф-1, пущенного в 1946 году.
О нем и шла раньше речь. Если пройти еще 200- 300 метров, взору откроется постройка, на фронтоне которой эмблема - рука, держащая солнце. В ней и расположена одна из первых, наиболее крупных термоядерных установок с магнитными зеркалами - ОГРА, разработанная коллективом под руководством советского физика И. Головина. Каков же принцип ее устройства?
В прямой трубе (ее диаметр полтора метра, а длина около 10) создано продольное -постоянное во времени магнитное поле. Для разогрева плазмы в трубу-камеру с помощью специального устройства впрыскиваются ионы молекулярного водорода с энергией, которой соответствовала бы температура в камере около 900 миллионов градусов. Казалось бы, температура более чем достаточная! Однако плотность частиц в камере оказывается очень низкой - в 10 миллионов раз меньше, чем нужно, и столкновения частиц здесь происходят очень редко - термоядерная реакция не развивается.
Многое в этой установке, да и в ее модификации ОГРА-П не удовлетворяло ученых. Тем не менее они шаг за шагом двигались к пониманию тайн плазмы.
Создатели ОГРА, самой крупной в те времена установки, наперед знали, что на полный успех им рассчитывать не стоит. Но жизнь требовала строить и испытывать подобные установки, изучать свои ошибки и идти вперед. "Не делая этого, - писал И. Курчатов, - мы напоминали бы, пользуясь образным сравнением Гегеля, того софиста, который утверждал, что он не войдет в воду, пока не научится плавать".