Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

• Название: Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: Энергоатомиздат
• Жанр: Физика
• Год: 1988
• ISBN: 5-283-02929-8

В популярной и занимательной форме рассказывается об истории решения проблемы, волнующей в равной степени и ученых, и инженеров. Эта проблема — получение сильных магнитных полей. Известно, что чем большее магнитное поле удается создать в машине, тем меньшие габариты она имеет и дешевле стоит. Ученые разработали несколько эффективных способов получения сильного магнитного поля. Об успехах и неудачах на этом пути и рассказывается в книге.

Для учащихся старших классов, читателей, интересующихся историей и современными достижениями науки и техники.

---

Даже переход на все более трудноразрабатываемые месторождения, что со временем

неизбежно, атомная энергетика в состоянии перенести безболезненно. Хотя уран

подорожает, стоимость топлива скажется только на пятой части затрат, нужных для

производства электроэнергии на АЭС.

Весьма привлекательные перспективы связаны не с делением ядер, а с их синтезом.

Если сольются два легких ядра, то при этом выделится гораздо больше энергии, чем

при делении тяжелого ядра. Энергоресурсы для синтеза ядер много доступнее: из

дейтерия, содержащегося в 1 л воды, можно получить столько же энергии, сколько

из 350 л бензина, так что четыре земных океана равноценны 1400 океанам

бензиновым! Даже при стократном росте потребления этих запасов хватит на

миллиарды лет.

Технология ядерного синтеза несложна. Ядра дейтерия и трития — изотопов

водорода, составлены из протона плюс один или два нейтрона. Если эти ядра

сольются, то возникнут новое летящее ядро гелия (оно несет пятую часть энергии

синтеза) и осколок — свободный нейтрон (четыре пятых энергии). Отобрать энергию

реакции можно нагревом воды.

Чтобы воплотить в жизнь эту очередность действий, нужно сначала решить простую

задачу: как сблизить ядра, ведь они расталкиваются электрическими силами?

Выяснилось, что подвести ядра вплотную друг к другу можно тремя способами.

Инерцией, например. Если ядро-снаряд сильно разогнать, то при большой скорости

оно проскочит в мертвую зону около ядра-мишени, где ядерное притяжение уже в

сотни раз сильнее электрического отталкивания. А разогнать ядро можно на

ускорителе (это пока экономически невыгодно) или нагревом газа (потому и

называется синтез термоядерным).

Второй способ сближения — сжать смесь нужных атомов какими-то сторонними силами,

очистив ядра от электронной "скорлупы". Этот способ оказался вполне приемлемым.

И еще одно предложение: погасить расталкивание особым ядерным "клеем" из мюонов

— элементарных частиц.

Еще в середине века ученые отважно взялись за решение проблемы "термояда", хотя

кое-что оставалось неизвестным. Какова же природа ядерных сил? Почему они в

миллионы раз интенсивнее химических сил? Отчего эти силы действуют только вблизи

ядер, зависят от их ориентации и скорости, а вне ядра быстро исчезают?

За последние тридцать лет появились (но пока только в лабораторном исполнении

или только в мыслях, уже подкрепленных расчетами и опытами) три класса

гипотетических конструкций ядерных реакторов синтеза будущего.

Весьма перспективными оказались лазерные реакторы. Под руководством академика

Н.Г.Басова в Физическом институте АН СССР уже построены гигантские модели,

напоминающие сказочных спрутов. Стеклянные шарики с газовой начинкой

расстреливаются сотнями лазерных вспышек, с разных сторон согласованно бьющих в

одну цель. Горящие мишени сжимаются расширяющимся газом, плазма начинает

рассеиваться, но за миллиардные доли секунды часть ядер успевает слиться. Пока

что показатели таких пушек почти рекордны: температура плазмы уже достигла

нужных 100 млн. градусов, но плотность ее надо поднять еще раз в пятьдесят.

Самое заслуженное и, видимо, наиболее перспективное направление разработок,

родившееся в Институте атомной энергии имени И.В.Курчатова, — токамаки. (Это

название образовано из слов ТОк, КАмера, МАгнитные Катушки. Другая расшифровка:

Тороидальная КАМера с АКсиальным магнитным полем.) В тороидальной камере газ

греется, а плазму от соприкосновения со стенками удерживают огромные магнитные

поля. На токамаках удалось нагреть плазму до 250 млн. градусов, но плотность или

время удержания ее надо бы увеличить раз в десять.

Какой сосуд выдержит такую высокую температуру? Прикоснувшись к стенкам сосуда,

плазма либо охладится до такой температуры, при которой реакция станет

невозможной, либо испарит стенку, как испарила стальную башню и песок при

термоядерном взрыве на атолле Бикини. Никакой материал не может выдержать таких

высоких температур, и поэтому в 50-х годах вопрос: "В чем держать плазму?"

привлек внимание ученых всего мира.

Физики Советского Союза, США и Великобритании, являвшиеся в то время "атомной

тройкой", разъединенные непроницаемым барьером секретности, примерно в одно

время начали работать над этой проблемой. После выступления И.В.Курчатова в

Харуэлле в 1956 г., где он неожиданно для английских и американских физиков

"раскрыл карты" и рассказал о самых "секретных" термоядерных исследованиях,

барьер секретности был снят. Выяснилось, что физики трех разных стран пришли к

одному выводу: единственная возможность удержать плазму и не дать ей охладиться

— использовать магнитное поле. Невидимое, неосязаемое, оно прочной сетью силовых

линий будет держать плазму вдали от стенок любого сосуда, которые она могла бы

испепелить. Выяснилось также, что физики СССР, США и Англии не только

разработали однотипные установки, но и получили на них примерно одинаковые

параметры плазмы. Более того, жаргонные названия установок также оказались

одинаковыми!

Идея магнитной термоизоляции плазмы основана на известном свойстве электрически

заряженных частиц, движущихся в магнитном поле, искривлять свою траекторию и

двигаться по спирали силовых линий поля. Это искривление траектории в

неоднородном магнитном поле приводит к тому, что частица выталкивается в

область, где магнитное поле более слабое. Задача состоит в том, чтобы плазму со

всех сторон окружить более сильным полем. Эта задача решается во многих

лабораториях мира.

Магнитное удержание плазмы открыли советские ученые, которые в 1950 г. предложили

удерживать плазму в так называемых магнитных ловушках (или, как часто их

называют, в магнитных бутылках).

Примером весьма простой системы для магнитного удержания плазмы может служить

ловушка с магнитными пробками или зеркалами (пробкотрон). Система представляет

собой длинную трубу, в которой создано продольное магнитное поле. На концах

трубы намотаны более массивные обмотки, чем в середине. Это приводит к тому, что

магнитные силовые линии на концах трубы расположены гуще и магнитное поле в этих

областях сильнее. Таким образом, частица, попавшая в магнитную бутылку, не может

покинуть систему, ибо ей пришлось бы пересекать силовые линии и вследствие

лоренцевой силы "накручиваться" на них. На этом принципе была построена огромная

магнитная ловушка установки "Огра-1", пущенной в Институте атомной энергии имени

И.В.Курчатова в 1958 г. Вакуумная камера "Огра-1" имеет длину 19 м при внутреннем

диаметре 1,4 м. Средний диаметр обмотки, создающей магнитное поле, составляет

1,8 м, напряженность поля в середине камеры 0,5 Тл, в пробках 0,8 Тл.

Но, как выяснилось, магнитная система указанного типа в ее "чистом" виде

обладает серьезными недостатками. В этой системе самое слабое магнитное поле

получается в середине канала у стенок. Сюда и устремляется плазма при разряде и

уже менее чем через 0,001 с оказывается на стенках камеры.

Новый шаг по усовершенствованию "бутылок" был сделан в 1963 г., когда в Институте

атомной энергии имени И.В.Курчатова была пущена установка ПР-5. Идея этой

установки предложена Б.Б.Кадомцевым, который исследовал причины неудач с чистыми

пробкотронами. Он установил, что для более успешного удержания плазмы необходимо

усложнить конфигурацию магнитного поля, и предложил в дополнение к системе

магнитных пробок вдоль образующих активного цилиндра сделать еще одну обмотку

таким образом, чтобы по соседним проводникам ток шел в противоположных

направлениях. Это должно было привести к тому, что вблизи стенок цилиндра

создавалось бы дополнительное магнитное поле, препятствующее приближению плазмы

к стенкам.

При наложении поля прямолинейных проводников на "бутылочное поле" получается

весьма замысловатая картина.

Установка была построена советскими физиками — сотрудниками Института атомной

энергии имени И.В.Курчатова, работавшими под руководством М.С.Иоффе.

Прямолинейные проводники были расположены под катушками, создающими магнитное

поле пробок. Индукция продольного магнитного поля в центре камеры составляла 0,8

Тл, в области пробок 1,3 Тл, индукция магнитного поля прямолинейных проводников

вблизи стенок была равной 0,8 Тл, длина рабочего объема 1,5 м, диаметр 40 см.