Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №10 за 2008 год"
Автор книги: Вокруг Света Журнал
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 12 страниц)
«Проходите, проходите», – не стесняясь состояния старожила, говорят члены семьи. В Китае вообще смерть – событие прилюдное, а не приватное. Когда окружающим становится понятно, что час смерти недалек, со всех концов страны созываются ближайшие родственники (как минимум дети с мужьями и женами), которые несут круглосуточную вахту у постели умирающего. Все сразу. Не прийти или отлучиться – страшный грех, который родственники могут не простить никогда. Такое бдение, бывает, растягивается на недели, но все сидят и не уходят. Нам может показаться это бестактным до крайности: мол, сидят люди и ждут чьей-то смерти, – но в Китае это всего лишь одно из обязательных проявлений сыновней почтительности.
Монахи на утренней молитве в монастыре, на территории которого стоит Большая пагода диких гусей. Сам монастырь, в отличие от неплохо сохранившейся древней пагоды VII века, был разрушен, а теперь отстроен заново. Фото: EASTNEWS
Вот и в доме Ван Шиминя собрались родственники, разговаривают, иногда даже смеются, завтракают, обедают и ужинают в обычном режиме. Вроде бы нормальная жизнь – все как всегда, но уходить за ворота не положено. Потому что слабый Лао (старый) Ван может уйти в любой момент. А тогда рядом с ним должно быть как можно больше людей.
В пещере, где живет Ван Шиминь с женой, три комнаты. Первая – жилая: с каном, столом, стульями и портретами Мао Цзэдуна из отрывного календаря. «Великого кормчего» старики уважают – он изменил их жизнь к лучшему. А поскольку и они сами, и их родители, и родители родителей были «правильного» крестьянского происхождения, то тяжелый молот Великой пролетарской культурной революции обошел семью стороной. Так что обид на Мао у них нет. Удивительны не его портреты на стенах, а то, что они соседствуют с изображениями христианских крестов и Святого духа в виде голубя. Оказывается, Ван Шиминь с женой – верующие христиане. Когда были помоложе, регулярно ездили в католический храм в Сиане, а теперь просто тихо молятся дома.
Вторая комната пещерного жилища – большая кладовая: там хранятся припасы, древесная щепа и уголь. У стены стоит огромный барабан – непременный атрибут любого праздника. В ночь на Новый год по лунному календарю звук этих инструментов (они ведь есть в каждой семье) сотрясает всю округу. Радости без барабанного боя и взрывов петард да хлопушек не бывает.
Есть в пещере и третья комната, сейчас пустующая. А раньше здесь держали свиней: это основа благополучия семьи Ван Шиминя. Держать свиней вне дома, особенно зимой, было небезопасно: в этих местах когда-то много волков водилось, да и люди, случалось, подворовывали. Сейчас, когда семья уже неплохо (по местным, конечно, меркам) заработала на любви китайцев к свинине, «бизнес» из дома вывели – и теперь небольшое хозяйство разместилось за деревней. Для этой семьи оно – реальный результат 30-летней политики реформ и открытости. Они довольны, говорят: «Живем все еще бедно, но с каждым годом все лучше». Трехколесный грузовичок ласково называют «наш БМВ». И все улыбаются.
Молот «культурной революции» не обошел стороной и Сиань: не помогла даже любовь Мао Цзэдуна к первому императору Цинь Шихуану (правда, Терракотовую армию обнаружили лишь за два года до смерти «великого кормчего»). Фото: ALAMY/PHOTAS
Курс на Запад
Впрочем, земля уже не может прокормить всех, поэтому каждый день у восточных и северных ворот сианьской стены можно наблюдать за работой импровизированной биржи труда. Из окрестных деревень стекаются крестьяне с нехитрым инструментом: пилой, молотком, топором, – садятся на бордюр, что отделяет проезжую часть от тротуара, и выставляют фанерные таблички, где большими красными иероглифами написано: «Ищу работу». Большинство, пусть и не в первый день, но находят. Строительный бум китайских городов поддерживается именно ими – крестьянами, покинувшими поля и подавшимися в город на заработки. В деревнях остаются женщины, старики и дети. Впрочем, и женщин немного: они тоже уезжают в города, устраиваясь на работу официантками, горничными и уборщицами – кому как повезет. Так что типичная китайская деревенская семья сегодня – это двое стариков и внук. Все вместе собираются раз в год, чтобы отпраздновать Новый год по лунному календарю. Не жалуются: говорят, жизнь стала все-таки лучше.
Иным крестьянам совсем повезло. Земля в окрестностях все еще таит массу сокровищ, копни чуть глубже – и обязательно наткнешься на какую-нибудь тайну. Совсем недавно, например, рядом с аэропортом открыли первый в Китае подземный музей – гробницу Ханьянлин, место захоронения императора Цзиньди (188—141 годы до н. э.) из династии Западная Хань. Его тоже охраняла терракотовая армия – только фигуры воинов здесь значительно меньше, едва достанут вам до колена. Это самый большой по территории и один из самых интересных музеев Китая, хотя упоминаний о нем в путеводителях почти нет – он открылся всего полтора года назад. Ходишь под землей, смотришь на глиняных воинов, чиновников, слуг, лошадей и собак мясных пород (их тоже положили в гробницу, чтобы императору было чем угощаться в загробной жизни) и не перестаешь удивляться. А крестьяне, которые волею судьбы оказались соседями Терракотовой армии, благодарят землю, сохранившую для них свою тайну. Они больше не выращивают рис, а торгуют сувенирами, работают поварами и официантами в ресторанах – обслуживают туристов. Этой работы им хватит до скончания века, а денег выходит больше, чем они зарабатывали на полях.
Но находят сокрытые в земле сокровища не только археологи: в этих краях активны и «черные копатели». Напротив входа в даосский храм Басянь Гун в Сиане по средам и воскресеньям работает антикварный рынок – глаза разбегаются от разложенных прямо на земле старинных штучек. Правда, большинство из них – искусные подделки с необходимыми потертостями, шероховатостями, небольшими сколами и трещинками, присыпанные пылью и землей для пущей правдоподобности. Первоначальная цена, конечно, зашкаливает, но если хорошенько поторговаться, то замечательные танские статуэтки можно купить буквально за копейки. И не стоит огорчаться, что подделка: все равно все предметы искусства, созданные ранее XIX века, вывозить из страны запрещено.
Вообще возможностей для заработка в Сиане немало. Не смирившись с потерей статуса имперской столицы и не удовлетворяясь статусом провинциального центра, город гордо позиционирует себя как столицу западных регионов Китая (по административному делению это все, что находится слева по карте от провинции Шэньси). Именно на их развитие государство делает сегодня акцент в экономической стратегии. Для них разработана специальная ценовая и инвестиционная политика, сюда же вкладываются большие деньги – что не может не отразиться на облике Сианя. Его центральные улицы отремонтированы, здания отреставрированы, старинная городская стена как будто вчера возведена. На ней с 1993 года ежегодно проводят марафон, который с каждым годом становится все популярнее – участвуют спортсмены разных стран: идея пробежать по периметру древнего памятника привлекает многих.
Сразу за башней Барабана начинается мусульманский квартал. Его соседство с вездесущим «Макдоналдсом», похоже, никого не смущает: в Китае это изобретение американского общепита считается вполне приличным рестораном, где можно и свидание назначить, и деловую встречу провести. Фото: ULLSTEIN/VOSTOCK PHOTO
С точки зрения науки и техники Сиань – третий по значению город в Поднебесной (после Пекина и Шанхая), здесь действуют 3300 научно-исследовательских институтов и центров развития технологий. Это вторая (после Шанхая) аэрокосмическая база в стране. Сегодня в городе на космос работают более 200 предприятий, для них создана специальная зона развития высоких технологий (китайская любовь к заборам и выделенным территориям неистребима). Предприятия в этой зоне разрабатывают и производят спутники, занимаются исследованиями в области энергетики и высоких технологий. Первый китайский двигатель для космического ракетоносителя собрали именно в древней столице. Здесь расположен и Центр наблюдения за спутниками, который часто сравнивают с центральной нервной системой космической программы. Кстати, в октябре планируется первый выход китайского тайкунавта в открытый космос. Для Поднебесной это, несомненно, событие. Говорят, что все оборудование и материалы – «made in China», но мы-то знаем, где учились все здешние конструкторы…
Все больше приходит в Сиань и иностранных инвесторов: инфраструктура уже есть, а стоимость рабочей силы дешевле, чем в восточных регионах, с которых 30 лет назад начиналось «китайское экономическое чудо». Строится метро, главные улицы заполонили бутики всемирно известных марок, от Макдоналдсов и KFC рябит в глазах. Все это – явные приметы процветания по-китайски.
Сиань преображается вечером – когда зажигают красные фонари на городской стене и башнях Колокола и Барабана, когда в мусульманском квартале буквально не протолкнуться от людей, когда молодежь спешит в караоке на очередное песенное состязание, когда пожилые люди выходят со своими низенькими стульчиками за заборы и наблюдают за разноголосой и разноцветной жизнью вокруг. «Это наш Сиань? – удивленно спрашивают они друг друга. – Да, это он, красивый, как всегда, процветающий, как любая столица!» И удовлетворенно кивают друг другу: «Дожили».
Инесса Плескачевская
Укрощение плазмы
Плазма внутри токамака JET. Слева ее свечение показано цветом. Плазма хорошо видна, только когда попадает на стенки и охлаждается. Раскаленная плазма в центре ловушки светится в невидимых рентгеновских лучах. Фото: FDA-JET
Энергия, заставляющая светиться Солнце и звезды, выделяется в термоядерных реакциях, которые протекают в их недрах. Возможность использовать эту энергию на Земле первое время казалась фантастикой – ведь для ее получения требуется температура во многие миллионы градусов. Все изменилось с появлением водородной бомбы. Встал вопрос: можно ли применить столь могучий источник энергии в мирных целях? Это оказалось очень нелегко – больше полувека понадобилось физикам, чтобы начать строительство первого в мире термоядерного реактора с положительным выходом энергии. Если все пойдет успешно, то к середине века в наши дома придет наконец чистая «звездная» энергия.
Реакции термоядерного синтеза были открыты более 70 лет назад. В 1934 году Георгий Гамов высказал мысль, что протекающие при высокой температуре ядерные реакции могут быть источником энергии, способным в течение миллиардов лет поддерживать звезды в горячем состоянии. Детальную теорию ядерных реакций в звездах развил Ханс Бете в 1938 году. В этих реакциях из ядер водорода синтезируются более сложные ядра других элементов – гелия, лития, бора, углерода. А поскольку их образование происходит при высокой температуре, эти реакции называют термоядерным синтезом.
В центре Солнца из ядер обычного водорода сначала образуется его тяжелый изотоп дейтерий, из которого в ходе серии дальнейших реакций рождается гелий. Масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых оно образовалось. По формуле Эйнштейна Е = mc2 эта разница в массе превращается в энергию. Вот эту энергию мы и получаем от Солнца в виде света и тепла.
Но процесс синтеза идет очень медленно. Особенно первый его этап, когда два ядра водорода сливаются в ядро дейтерия. Характерное время этой реакции исчисляется миллиардами лет. Поэтому удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца, как ни странно, совсем невелика – около 200 Вт/м3. Примерно в таком же темпе выделяется энергия в теле человека. Лишь за счет гигантских размеров солнечный термоядерный реактор производит поток энергии, достаточный для поддержания жизни на нашей планете.
Для земной энергетики мощности 200 Вт/м3, конечно, абсолютно недостаточно. К счастью, можно обойтись без самой медленной реакции – синтеза дейтерия, поскольку он существует на Земле в готовом виде. По одному его ядру приходится на 6700 ядер водорода. В каждом кубометре воды содержится 110 килограммов водорода и 33 грамма дейтерия. Казалось бы, немного, но если этот дейтерий сжечь в термоядерных реакциях, выделится столько же энергии, как при сгорании 200 тонн бензина. Так что запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и неисчерпаемы.
Условия синтеза
Для получения энергии на основе управляемого термоядерного синтеза нужно выполнить три условия. Во-первых, требуется чрезвычайно высокая температура. В центре Солнца она составляет около 15 миллионов градусов. На Земле, чтобы увеличить мощность термоядерных реакций до практически полезного уровня – хотя бы до 1000 Вт/м3 – температуру нужно поднять до сотен миллионов градусов. Это и есть первое и главное условие управляемого термоядерного синтеза.
Во-вторых, в реакции должно участвовать достаточно много частиц – выход энергии растет как квадрат плотности топлива. Но вместе с температурой и плотностью увеличивается давление, и удерживать горячую плазму от расширения становится все труднее. Отсюда третье основное условие: время ее удержания должно быть достаточным, чтобы выделившаяся в ходе реакции энергия превысила затраты на нагрев и удержание плазмы.
Из всех термоядерных процессов самые скромные требования к температуре у реакции дейтерия (D) с тритием (T) – «всего лишь» 100 миллионов градусов. На языке ядерной физики эта реакция записывается так:
D + T [?]> 4He + n.
Продукты реакции – ядро гелия-4 (4He) и нейтрон (n) – приобретают энергию соответственно 3,5 и 14,1 миллиона электронвольт (1 эВ = 1,6 .10–19 Дж). Для сравнения: при температуре в 100 миллионов градусов ядра, вступающие в реакцию, имеют энергию, эквивалентную всего лишь 10 000 электронвольт. Так что энергетический выигрыш получается огромный.
Итак, нам нужны дейтерий и тритий. Дейтерий можно добывать из воды, а вот с тритием проблема – он неустойчив, и период его полураспада составляет всего лишь 12 лет. Поэтому на Земле трития практически нет, и его придется создавать искусственно, облучая нейтронами литий. Это можно делать прямо в стенках реактора за счет нейтронов, выделяющихся в процессе термоядерного синтеза. Разведанных запасов лития на суше около 11 миллионов тонн – достаточно, чтобы 3000 лет поддерживать современный уровень производства энергии на Земле. Конечно, литий нужен и для других целей, но при необходимости его можно извлекать из морской воды – там его запасы в 20 000 раз больше. Так что проблем с обеспечением термоядерной энергетики топливом в обозримой перспективе не будет.
Струи солнечной плазмы движутся по дугам вдоль силовых линий магнитного поля. Фото: NASA/TRACE
Четвертое состояние вещества
При нагревании все вещества сначала плавятся, потом испаряются и, наконец, переходят в состояние плазмы: молекулы распадаются на атомы, атомы ионизируются, и образуется смесь положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Движение заряженных частиц порождают электрические и магнитные поля, которые влияют на траектории соседних частиц. Поэтому частицы в плазме двигаются согласованно, что отличает ее от обычного газа из электрически нейтральных молекул и делает поведение плазмы чрезвычайно сложным.
Проблема с нейтронами
Однако, помогая получать тритий, нейтроны одновременно создают ряд технических проблем. Во-первых, они вызывают в стенках реактора наведенную радиоактивность. И хотя она в сотни раз меньше, чем в продуктах деления урана на обычных АЭС, требуется тщательно подбирать состав материалов для камеры реактора и контролировать содержание в них примесей, чтобы избежать рождения опасных медленно распадающихся радиоактивных ядер.
Кроме того, нейтронное облучение снижает прочность конструкционных материалов. Энергичные нейтроны выбивают атомы из кристаллической решетки и образуют в твердом теле множество микроскопических каналов. Материал становится рыхлым. Прочность его резко падает. Так что стенки реактора, подверженные облучению нейтронами, придется периодически заменять. Делать это должны специально сконструированные роботы.
Избавиться от нейтронов и связанных с ними проблем позволяют другие термоядерные реакции. Например, если вместо трития использовать легкий изотоп гелия (3He) то ни среди исходных веществ, ни среди продуктов реакции не будет ничего радиоактивного:
D + 3He −> 4He + H.
Правда, небольшое число нейтронов будет все-таки рождаться при взаимодействии между ядрами дейтерия. Возможно, в будущем именно эта реакция станет
основой термоядерной энергетики. Но для нее нужна почти в 10 раз более высокая температура, которой пока еще никто не достиг. К тому же гелия-3 на Земле практически нет – считанные килограммы в год выделяются из природного газа некоторых месторождений. Добывать его можно на Луне, куда он попадает в составе солнечного ветра и накапливается в верхних слоях грунта. Завоз на Луну горнодобывающей техники, строительство поселка для рабочих, производство ракет для доставки гелия на Землю – все это окупается стоимостью электроэнергии! Так что проект вполне реалистичен. Но первый реактор и первые термоядерные электростанции будут все-таки использовать реакцию дейтерия с тритием.
Ну и в совсем уж далекой перспективе можно думать об использовании идеально чистой реакции бора с водородом:
11B + 1Н−> 3 4He.
Но для этого нужно уметь получать еще более высокую температуру.
Первая попытка
В 1951 году Сталин подписал постановление о начале работ по созданию термоядерной электростанции. Тогда казалось, что не так уж сложно заставить термоядерную реакцию, уже реализованную в водородной бомбе, протекать с гораздо меньшей скоростью. На это было отпущено всего два года, и назначена премия за успешный запуск термоядерного реактора. За короткое время были построены установки, в которых в газообразном дейтерии токами в сотни тысяч и миллионы ампер возбуждался разряд и получался очень похожий на молнию ярко светящийся шнур. Магнитное поле электрического тока сжимало шнур в тонкую нить, и по замыслу экспериментаторов в момент наибольшего сжатия могла получиться температура, необходимая для начала термоядерной реакции. Поэтому рядом с разрядом установили нейтронные счетчики, которые должны были зафиксировать этот момент. И они зафиксировали! Казалось, путь к термоядерной энергии открыт. А потом наступило разочарование. Выяснилось, что температура не доходит и до одного миллиона градусов, а наличие нейтронов вызвано побочными эффектами, не связанными с термоядерными реакциями. Результатом этих первых экспериментов стало осознание всей сложности проблемы управляемого термоядерного синтеза и истинного объема работы, которую предстояло сделать.
Взрывная камера создаваемой в России установки инерционного термоядерного синтеза «ИСКРА-6». Со всех сторон в камеру будет вводиться 128 лучей, генерируемых фиолетовым лазером на стекле с неодимом. Импульс длительностью 3 нс будет нести энергию 300 кДж, длина волны лазера – 350 нм. На сегодня уже построены и используются в экспериментах четыре лазерных канала (установка «Луч») с энергией в импульсе 12 кДж. Фото: SPL/EAST NEWS
Горение или взрыв?
Из трех ключевых параметров термоядерного синтеза – температуры, плотности и времени удержания плазмы – один, температура, фактически задается выбранной реакцией. А вот соотношение двух других можно варьировать. Соответственно есть два основных пути: либо выбрать относительно низкую плотность топлива и продолжительное время удержания, либо, наоборот, максимально возможную плотность при очень небольшой продолжительности реакции.
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
Однако чтобы микровзрыв произошел, надо успеть за миллиардные доли секунды нагреть топливный шарик до термоядерной температуры. Сделать это можно с помощью мощных лазеров. Такие эксперименты проводятся уже около 30 лет. В лабораториях России, Франции, Японии, США построены лазеры с энергией до 20 000 джоулей. А в 2009 году в США должна заработать самая мощная лазерная установка NIF с энергией импульса до 1,8 миллиона джоулей.
Лазерные лучи со всех сторон направляют на мишень, содержащую термоядерное топливо. Это смесь дейтерия с тритием, охлажденная ниже температуры плавления водорода, то есть примерно до 10 градусов Кельвина (–263 °C). Под действием светового давления и реактивной силы от испаряющегося с поверхности вещества происходит одновременно сильное сжатие и нагрев мишени. Расчеты показывают, что если достичь плотности в 1000 раз выше плотности твердого водорода, то одного миллиона джоулей будет достаточно для поджига термоядерной реакции. Но пока в экспериментальных установках плотность возрастает лишь в 30—40 раз. Основное препятствие – недостаточная равномерность освещения мишени. Даже небольшие (в несколько процентов) различия скорости сжатия по разным направлениям приводят к деформации мишени, и плазма буквально просачивается между лазерными пучками.
Для более равномерного сжатия в последнее время стали применять схему непрямого облучения мишени. Твердый дейтерийтритиевый шарик помещают в оболочку из материала с большим зарядом ядра, например урана или золота. Лазерные лучи вводят в нее через два окна так, чтобы, не задев мишень, осветить внутреннюю поверхность оболочки. Она сразу превращается в слой горячей плазмы, испускающий мощное рентгеновское излучение, которое намного равномернее освещает мишень, вызывая ее сжатие.
Ожидается, что таким способом удастся достичь сжатия мишени в 4000 раз и получить в 100—200 раз больше термоядерной энергии, чем содержалось в лазерном импульсе. Впрочем, и этого мало: КПД лазера составляет около 2%, а значит, чистый выигрыш в энергии будет всего несколько раз. Возможно, ситуация улучшится, если разделить задачи сжатия и нагрева вещества: в качестве спички для поджига мишени, предварительно сжатой обычными лазерами, можно использовать появившиеся в последнее время лазеры с очень коротким импульсом – 10–11 секунды.
Еще одна проблема инерционного термоядерного синтеза – необходимость взрывать заряды несколько раз в секунду. Пока столь мощные лазеры дают по одному импульсу в несколько часов. Есть идея заменить их ускорителями ионов: у них значительно выше КПД, и они могут работать с высокой частотой. Но из-за электрического отталкивания ионов пучок трудно сфокусировать до нужного диаметра.
В целом положение с инерционным синтезом выглядит пока не слишком обнадеживающим. Но исследования продолжаются.
Тороидальные ловушки
Использование магнитного удержания плазмы выглядит более перспективным подходом к термоядерному синтезу. Главным препятствием на этом пути были различные неустойчивости. Плазма легко перетекает из области с сильным магнитным полем туда, где оно слабее. Ее давление в этом месте возрастает, вдобавок в ней возбуждается электрический ток, способный временно ослабить магнитное поле. В результате плазма может неожиданно вырваться из области удержания.
Наиболее успешным способом удержания оказались тороидальные магнитные ловушки. Если плазму замкнуть в кольцо, придав ей форму бублика (тора), и наложить вдоль тора магнитное поле, оно будет препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Вдоль силовых линий частицы плазмы могут перемещаться свободно, но при этом они все время остаются внутри ловушки, не сталкиваясь со стенками.
Правда, и тут все оказалось непросто. Магнитному полю в тороидальной ловушке надо придавать сложную винтообразную конфигурацию. Решая эту проблему, американские и советские ученые пошли разными путями. Лайман Спитцер в США предложил использовать специальные винтовые обмотки. Спитцер назвал свое изобретение стелларатором – что-то вроде «звездного тора».
В СССР для создания винтового поля в тороидальной камере решили пустить электрический ток прямо по плазме – она проводит электричество ничуть не хуже меди. Идея оказалась настолько успешной, что название установки токамак, образованное от слов «ток», «камера» и «магнитное поле», теперь известно всему миру.
С тех пор идет непрерывное соревнование токамаков и стеллараторов. Вначале успешнее развивались исследования на стеллараторах. Были изобретены и опробованы различные способы нагрева плазмы – током, текущим по плазме, магнитной накачкой, радиоволнами, придумано очень эффективное устройство очистки плазмы от примесей – дивертор. Температуру плазмы удалось довести до 1 миллиона градусов, но вот со временем удержания дела обстояли неважно – оно составляло лишь тысячные доли секунды, а с ростом температуры еще более сокращалось.
Робот-манипулятор обслуживает рабочую камеру крупнейшего в мире действующего токамака JET, Великобритания. Фото: SPL/EAST NEWS
Успехи токамаков
На токамаках в это время основной проблемой был радиационный барьер. Прорываясь сквозь магнитное поле, плазма касалась фарфоровой стенки камеры и загрязнялась атомами кремния, углерода, кислорода. Они ярко светились, и вся вкладываемая в плазму энергия уходила с этим излучением. Температура не поднималась выше 100—300 тысяч градусов. Преодолеть радиационный барьер удалось в результате долгой и кропотливой работы по совершенствованию конструкции. Фарфор заменили нержавеющей сталью: при прогреве до 300 °С из нее уходит вода, а с ней и кислород. Введение безмасляной откачки с помощью титановых и турбомолекулярных насосов значительно снизило поступление в плазму углерода. Удалось также подавить самые грубые колебания плазмы и получить почти «спокойную» плазму. Все это позволило к 1968 году достичь в токамаке Т-3 температуры 10 миллионов градусов – на порядок выше, чем в стеллараторах.
Американским ученым очень не хотелось в это верить, и они подвергли сомнению методику измерений столь высокой температуры. Тогда академик Лев Арцимович пригласил английских ученых приехать в Москву со своими приборами и самим измерить температуру плазмы. Она оказалась даже еще выше – около 12 миллионов градусов. Была также измерена и мощность термоядерной реакции. При этой температуре она составила 0,005 ватта. После этого в США прокатилась волна оргвыводов: все работы по стеллараторам были прекращены, а на месте самого большого из них был построен токамак – точная копия советского. Началось триумфальное шествие токамаков.
За прошедшие 40 лет объединенными усилиями ученых всего мира проделана гигантская работа по исследованию удержания плазмы в токамаках. Изучены основные закономерности и механизмы переноса тепла и частиц, разработаны методы измерения плотности и температуры плазмы, электрических и магнитных полей. Созданы национальные и международные базы данных, где собираются результаты исследования поведения плазмы в различных условиях. К настоящему времени необходимая для термоядерного реактора температура в 100 миллионов градусов достигнута и даже превзойдена, правда, при меньшей чем надо плотности плазмы. На самом большом токамаке JET, построенном Европейским Союзом в Великобритании, мощность термоядерной реакции достигает уже 16 000 киловатт, возвращая около 40% от вложенной в плазму энергии.
