Токамаки - лидер в решении проблемы управляемого синтеза

Первый период термоядерных исследований в СССР

К первому периоду исследований по управляемому термоядерному синтезу (УТС) можно отнести 1951 - 1975 гг. К концу этого периода лидирующими установ­ками магнитного удержания плазмы становятся системы с тороидальным электрическим током и сильным магнитным полем -токамаки. В связи с развитием термо­ядерного оружия эти исследования в начальный период носили сверхсекретный характер, что наложило отпечаток на историю их развития. Можно упомянуть, например, что принятию официальных про­грамм по термоядерному синтезу в США и СССР способствовало заявление Президента Аргентины о якобы успешном проведении управляемой реакции син­теза в этой стране.

Термоядерные исследования начались в середине XX века, прежде всего в странах, разрабатывавших термо­ядерное оружие. Причина этого проста: именно в этих странах были накоплены знания и опыт осуществления дорогостоящих проектов, необходимых для таких иссле­дований. Невероятные же по интенсивности темпы организации необходимых работ объясняются следую­щими двумя обстоятельствами.

1). Первоначальной целью создания термоядерных реакторов с дейтериевой плазмой было, прежде всего, производство ядерных материалов (зарядов) для термо­ядерного оружия. Стремление не отстать от соперника в оснащенности мощнейшим оружием было главным стимулом для принятия решений о проведении исследо­ваний по УТС как в СССР, так и в США [4].

2). Успех в создании ядерного оружия вселял уверен­ность в столь же быстром решении и проблемы создания термоядерного реактора. Эта надежда не оправдалась, но переориентировка программы на производство элект­роэнергии с использованием неисчерпаемого и экологич­ного источника реакций синтеза стала важнейшим сти­мулом для решения проблемы УТС во всем мире.

Следует отме­тить, что еще в 1955 г. на открытии Первой международ­ной конференции по мирному использованию атомной энергии председательствующий X. Баба (Н. Ваhbа) высказал предположение, что "метод управляемого высвобождения энергии ядерного синтеза будет найден в предстоящие 20 лет", т.е. к 1975 г. [4]. В некотором смысле это предсказание действительно сбылось. К этому вре­мени на токамаке Т-3 и его модификации Т-4 была продемонстрирована плазма с температурой масштаба 1 кэВ (1968-1969 гг.). В начале семидесятых годов происходит решительный переход на токамаки во мно­гих лабораториях, связанных с магнитным удержанием плазмы. В Курчатовском институте 1975-й год завер­шается вводом в строй достаточно большого по тем временам токамака Т-10 (работа на нем продолжается и в наши дни). А на токамаке РLТ этого же поколения (введен в строй в том же году в Принстоне, США) с помощью инжекции пучка быстрых атомов дейтерия несколько позже (в 1978 г.) удалось получить плазму с температурой ионов 7 - 8 кэВ [4].

Рассматриваемый период связан в основном, с именем первого руководителя государственной про­граммы исследований по УТС Л.А. Арцимовича, скон­чавшегося в 1973 г. На ранней стадии термоядерные исследования были строго засекречены даже после перемены их цели с поддержки военных программ на мирное использование ядерной энергии. Внутри Лаборатории измерительных приборов Академии наук (ЛИПАН - кодовое название будущего Курчатовского института) никто, кроме не­большой группы исследователей, не знал, что делается в новом здании Бюро электрических приборов (БЭП), стоящем недалеко от здания Отдела электроаппаратуры (ОЭА), где под руководством Л.А. Арцимовича разраба­тывались методы электромагнитного разделения изото­пов для наработки материала для атомных бомб. Даже в самых секретных отчетах одно время использовались загадочные слова: "гуща" (для обозначения плазмы), "высота" (температура), "струя" (магнитное поле). Так что, например, фраза "высокотемпературная плазма в магнитном поле" кодировалась странным выражением "высокая высота гущи в струе" [4].

Любопытно, что каждая из первых трех стран - участниц исследований по УТС на основе замкнутых тороидальных систем - открыла определенное направ­ление магнитного удержания плазмы. Эксперименты с тороидальным газовым разрядом в Великобритании создали направление "тороидальные пинчи с обращенным тороидальным магнитным полем", сокращенно RFP (Reversed Field Pinch). В настоящее время соответствующие крупные установки имеются: одна — в Падуе (Италия), другая — в Бостоне (США). Предложение А.Д. Сахарова и И.Е. Тамма о "Маг­нитном термоядерном реакторе" привело к системам "токамак", занявшим лидерство в мировой программе исследований по УТС. Изобретение Л. Спитцером замкнутой системы маг­нитного удержания с вложенными магнитными поверх­ностями плазмы, на которых каждая магнитная силовая линия, проходя вдоль системы (топологического тора) с проворотом на некоторый угол ("вращательное преоб­разование"), плотно покрывает замкнутую тороидаль­ную поверхность, породило фундаментальное научное направление стационарных "стеллараторных", или "винтовых систем" магнитного удержания плазмы. Эти системы задержались в своем развитии из-за их большей сложности и неудачных экспериментов первого периода их истории. В настоящее время они приобрели "второе дыхание" и наряду с традиционным подходом, самым большим их современным представителем является крупнейшая винтовая система LHD (Large Неliса1 Device) в Японии, а также развиваются усовершенство­ванные "advanced helical systems " (продвинутые винтовые системы), "живым" представителем которых является крупный стелларатор WVII-Х, строящийся в Грайфсвальде (Германия). В Принстонской лаборатории физики плазмы, начи­навшей стеллараторные исследования, в настоящее время реализуются проекты компактного токамака и инновационного "квазисимметричного" стелларатора NCSX с самогенерирующимся "бутстрэп-током" (ток, связанный со спецификой дрейфовых траекторий в торе), что помогает улучшить параметры плазмы [4].

Другие статьи по теме

Расчет редуктора
Начало развития отечественного машиностроения было положено такими выдающимися учёными и изобретателями, как Ломоносов, Кулибин, Петров. “Детали машин” – это техническая дисциплина, в которой изучают методы, правила и нормы р ...

Оптоволокно
Волоконная оптика - раздел оптики, рассматривающий распространение электромагнитных волн оптического диапазона по световодам - оптическим волокнам. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно проста. Сердечник ...