«Техника-молодежи» 1987 г №4, с.36-38

В год 70-летия Октября мы предлагаем вниманию читателей интервью нашего специального корреспондента, кандидата технических наук Юрия САМОЙЛОВА с директором отделения физики плазмы Института атомной энергии имени И. В. Курчатова Борисом Борисовичем КАДОМЦЕВЫМ, а также публикуем фрагменты из харуэлльского доклада Игоря Васильевича Курчатова, на многие годы вперед предвосхитившего развитие работ по управляемому термоядерному синтезу.

СЕГОДНЯ ... и 30 лет назад

Борис КАДОМЦЕВ,
академик,
лауреат Ленинской премии

— Борис Борисович, судя по последним сообщениям печати, физики постепенно приближаются к заветной цели — созданию термоядерного реактора. Наверное, в тумане будущего уже можно разглядеть основные контуры центрального узла термоядерной электростанции (ТЯЭС)?

— Не только контуры, но и ряд важнейших конструктивных узлов. Первый реактор, думаю, представит собой установку типа «Токамак». Его огромный полый «бублик» из нержавеющей стали разместится внутри катушек, создающих сильное магнитное поле. В сущности, это трансформатор, где первичная обмотка выполнена в виде индуктора (катушки возбуждения, подсоединенной к источнику питания), а единственный «виток» вторичной обмотки — не что иное, как тороидальная вакуумная камера, заполненная газовой смесью из дейтерия (Д) и трития (Т) — изотопов водорода. Давление ДТ-смеси выбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия ее пробоя за счет ЭДС, индуцируемой вихревым электрическим полем. Пробой ведет к ионизации газа и возникновению в плазме тока, нагревающего ее до нескольких десятков миллионов градусов. С помощью средств дополнительного нагрева температуру следует поднять до 100 млн. градусов. При этом эффективно протекает реакция синтеза — слияние ядер дейтерия и трития с образованием ионов гелия и нейтронов и выделением огромного количества энергии. 80% ее приходится на быстрые нейтроны и 20% на заряженные частицы (ионы гелия).

.................

— Существуют ли проблемы с обеспечением топливом термоядерных реакторов?

— Если бы термоядерный реактор работал только на тяжелом водороде — дейтерии, то их не было бы. Дейтерия в природе очень много. По крайней мере, в Мировом океане — 5·10¹³ т, причем выделить его из воды не представляет трудностей. Но первые реакторы будут работать на ДТ-смеси, где реакцию синтеза осуществить проще, чем на чистом дейтерии. И тут возникают сложности. На Земле трития нет. Поэтому его придется специально производить из лития либо с помощью атомного, либо термоядерного реактора, что довольно дорого. В этом смысле литий является лимитирующим фактором, который нужно учитывать при оценке ресурсов для развития термоядерной энергетики, но и его запасы вполне достаточны.

— В связи с этим, как вы оцениваете недавнее предложение американского физика Джеральда Кульчинского добывать на Луне не существующий на Земле изотоп «солнечного газа» — гелий-3, чтобы потом использовать его в качестве топлива для термоядерных реакторов?

— Оно не кажется мне фантастичным. Как показали исследования, гелия-3 в лунном грунте содержится много. Миллионы лет его заносил туда солнечный ветер. Поэтому легко представить себе такую, скажем, картину. На Луне космическая экспедиция с помощью роботов собирает автоматический завод: добытый грунт в специальных установках подогревается, и выделяющийся из него газ доставляется на Землю. Оказывается, затраты на производство такого топлива будут вполне оправданны, если учесть, что в каждом его грамме содержится столько же энергии, сколько, скажем, в тысяче тонн угля или нефти. Гелий-3 можно было бы использовать либо как первичное топливо в термоядерных реакторах, либо для получения из него трития в обычном атомном реакторе.

— Борис Борисович! Над какой задачей сегодня бьются физики, работающие на установках типа «Токамак»?

— В последние годы было показано, что на них можно получать высокотемпературную плазму, устойчиво ее удерживать и управлять ею с помощью магнитных полей. Но осуществить самоподдерживающую термоядерную реакцию еще никому не удалось. Здесь нас ожидают большие, но, как теперь ясно, преодолимые трудности. Ближайшая цель перейти через так называемый брейк-ивен, когда подводимая к реактору мощность, необходимая для поддержания плазмы в горячем состоянии, сравняется наконец с мощностью термоядерной реакции. Важным шагом в направлении создания плазмы с термоядерными параметрами явится сооружение в нашем институте установки Т-15.

— Что она собой представляет?

— Как и предыдущая Т-10, на которой мы сейчас работаем, это все тот же «бублик», но диаметром не 3, а 4,8 м и объемом не 3,6, а 25 м³. Конечно, рабочий объем серийного термоядерного реактора будет согласно расчетам значительно больше, не менее 200 м³. Тем не менее наша установка должна служить его хорошей моделью, на которой пройдут испытания многие узлы и системы ТЯЭС. Для создания сильных магнитных полей, способных удерживать плазму от контакта со стенками камеры, используются сверхпроводящие, охлаждаемые жидким гелием до температуры 4К, обмотки из ниобий-олова. В отличие от других, обычно используемых сверхпроводников этот позволяет получать более сильные магнитные поля (при том же токе). Сверхпроводящая магнитная система впервые отрабатывалась на нашей установке Т-7.

— А какие новинки намечено использовать в Т-15?

— Прежде всего оригинальную систему нагрева плазмы. Чтобы стало ясно, о чем идет речь, остановлюсь на физических основах термоядерного горения. В наиболее «горючей» смеси, содержащей равные части дейтерия и трития, термоядерное «пламя» вспыхивает лишь при температуре свыше 60 млн. градусов. Такой нагрев ДТ-смеси представляет собой весьма сложную задачу — ведь плотность ионизованного газа в реакторе примерно в 100 тыс. раз меньше плотности атмосферы. Кроме того, для интенсивного протекания управляемого термоядерного синтеза (УТС) нужно, чтобы плазма занимала достаточно большой объем. Лишь в этом случае частицы не успеют покинуть ее раньше, чем произойдет необходимое для поддержания реакции число единичных актов синтеза.

Так вот, для получения столь высокой температуры одного нагрева ДТ-смеси джоулевым теплом протекающего через нее тока недостаточно. Учитывая, что с ростом температуры электрическое сопротивление плазмы падает, здесь требуется дополнительный нагрев плазмы.

Наиболее перспективны два метода нагрева — пучками быстрых атомов и высокочастотным электромагнитным полем.

В первом случае пучки формируются с помощью инжекторов-ускорителей заряженных частиц, например, ядер дейтерия — дейтронов. Ускоренные дейтроны проходят через слой нейтрального газа и превращаются в быстрые атомы дейтерия, которые, потеряв заряд, беспрепятственно проникают в плазменный шнур под любым утлом к магнитному полю.

Во втором случае достаточно поместить вблизи рабочей камеры петлю с током высокой частоты. В плазме возбуждаются электромагнитные волны. Подобрав соответствующую частоту этих волн, можно добиться того, что они будут эффективно поглощаться плазмой и нагревать ее.

— Почему?

— Частицы плазмы под воздействием магнитного поля вращаются вокруг его силовых линий. У каждого сорта частиц своя частота вращения. Ее называют циклотронной, поскольку в циклотронах заряженные частицы точно так же ускоряются постоянным магнитным полем. Если электромагнитную волну настроить на одну из этих частот, то ионы (или соответственно электроны), отбирая у нее энергию, станут ускоряться. В зависимости от того, на какую циклотронную частоту настроено электромагнитное «подогревающее» поле, различают ионный или электронный циклотронный резонансный нагрев. Последний наиболее интересен.

— А почему такой нагрев ионизированного газа только сейчас начали изучать?

— У физиков долгое время не было генератора, способного создавать достаточно сильное поле в требуемом диапазоне миллиметровых волн. Широко распространенные магнетроны, так называемые лампы бегущей волны, даже лазеры были неэффективны.

И вот сравнительно недавно в Институте прикладной физики АН СССР под руководством академика А. В. Гапонова-Грехова были созданы уникальные лампы-гиротроны (полное название — «гиротроны-мазеры на циклотронном резонансе»). Принцип их действия, схожий с электронно-циклотронным нагревом плазмы, также основан на резонансном взаимодействии электромагнитной волны и вращающимися в сильном магнитном поле электронами. Разница заключается в том, что в гиротронах электромагнитная волна не отдает энергию резонансным электронам, а, наоборот, сама отбирает у них энергию. Главным достоинством гиротронов является то, что наряду с нагревом они позволяют подводить мощное электромагнитное излучение именно в заданные области плазменного шнура, так оптимизируя его температуру и давление, чтобы придать им устойчивый профиль. На Т-15 будут установлены 24 гиротрона общей мощностью более 7 МВт.

— Недавно в Принстоне (США) на установке, подобной «Токамаку», получена температура в 200 млн. градусов. При этом для нагрева плазмы использовались лишь пучки быстрых атомов.

— Американцам первым удалось получить плазму с такой высокой температурой, правда, при сравнительно низких значениях ее плотности и времени удержания. Это, конечно, большой успех. Но овладение плазмой нельзя сводить лишь к достижению столь броской ее характеристики, как температура. Плазма — довольно капризное состояние вещества, и ею нужно уметь управлять. Поэтому с помощью гиротронов мы будем не столько нагревать плазму, сколько стараться получать наиболее устойчивые конфигурации плазменного шнура. Тем самым будет отработана техника управления будущего реактора.

Как идет сооружение Т-15?

— Закончены почти все строительные работы. Начат монтаж, который займет более года. Плазму мы надеемся получить в конце будущего года.

— В ноябре 1986 года вы участвовали в работе международной конференции МАГАТЭ по проблемам термоядерного синте.га и физике высокотемпературной плазмы, которая проходила в Японии. Как бы вы охарактеризовали современный уровень исследований (в этой области) в других странах?

— Как очень высокий. Например, на конференции было рассказано о новых впечатляющих результатах, полученных на установках «Тест фьюжн токамак реактор» (США), «Джет» (Евратом), «Джи Ти-60» (Япония). В частности, японские специалисты получили на своей установке температуру в 60 млн. градусов при минимальных потерях на излучение. А на установке «Джет» удалось удерживать высокотемпературную плазму в течение 0,5 с. Сейчас можно уже говорить о том, что уверенное получение высокотемпературной плазмы вполне освоено. Задача теперь заключается в том, чтобы одновременно увеличить ее плотность и время удержания. И нет веских причин, которые помешали бы успешному продвижению в этом направлении. Вероятно, года через три будет осуществлен переход через брейк-ивен, о котором я говорил, а это вплотную приблизит нас к созданию экспериментального реактора. ........