Штурм абсолютного нуля

Эти строки английского поэта XVIII века Уильяма Блейка, разумеется, не претендуют на строго научное определение энергии. В них ярко выражена мысль о том, что без энергии вообще немыслима жизнь человека на Земле.

С развитием технического прогресса и ростом народонаселения потребность человечества в энергии непрерывно возрастает.

Ожидается, что к 2000 году потребление энергии на нашей планете возрастет почти в три раза по сравнению с сегодняшним уровнем.

Природные запасы источников энергии не безграничны.

И уже сегодня многие страны находятся под угрозой энергетического кризиса.

С овладением энергией атомного ядра человечество получило новый энергетический источник немыслимой ранее мощности.

По оценке специалистов, природных запасов основного «топлива» атомных электростанций — урана, при его рациональном использовании, хватит человечеству на несколько сотен лет.

Ученые всего мира усиленно работают над следующим этапом использования ядерной энергии — освоением управляемых термоядерных реакций.

В ядерной (атомной) энергетике используются реакции деления тяжелых ядер, при которых ядра делятся на части нейтронами и образуются новые нейтроны.

А в термоядерной энергетике используется противоположный эффект — процесс синтеза ядер легких элементов.

Когда два легких ядра сливаются вместе, происходит так называемая термоядерная реакция.

Термоядерная реакция может происходить только, когда ядра сближаются на расстояние в одну миллионную долю нанометра.

Чтобы состоялось такое сближение, ядра должны преодолеть кулоновские силы отталкивания, то есть обладать большой кинетической энергией. Для этого вещество должно находиться при достаточно высокой температуре, порядка сотен миллионов градусов.

Термоядерные реакции сопровождаются колоссальным выделением энергии. Так, например, энергия, освобождаемая при синтезе всего лишь четырех граммов гелия из водорода, оценивается в 700 тысяч киловатт часов. Это примерно соответствует дневной потребности в энергии для бытовых нужд города с населением в несколько сот тысяч человек.

На Земле термоядерные реакции впервые были осуществлены в водородной бомбе.

Нагрев бомбы до температуры в несколько сотен миллионов градусов осуществляется путем взрыва обычной атомной бомбы. Мгновенно выделяющаяся при термоядерной реакции энергия обладает взрывным действием колоссальной разрушающей силы. По мощности взрыва и силе поражающих действий (ударная волна, радиоактивное излучение и т. п.) водородная бомба значительно превосходит атомную бомбу.

Среди произведений Иоганна Вольфганга Гете есть баллада «Ученик чародея».

В этой балладе колдун, отлучившись, оставляет своего ученика на кухне, приказав ему натаскать бочку воды. Мальчик ленив, но достаточно предприимчив: он заставляет выполнить это задание… метлу, произнеся над ней заклинание, подслушанное у своего хозяина.

Метла наполняет бочку водой, но остановить ее ученик чародея не может. Непутевый мальчик почти тонет — он не выучил или забыл другое заклинание, которое остановило бы метлу. В отчаянии он хватает метлу и ломает ее пополам, но с ужасом обнаруживает, что из каждой половины продолжает течь вода. К счастью, он не погиб — появился хозяин, который, произнеся магическое слово, остановил метлу и хорошенько наказал нерадивого ученика.

Так вот, в отношении термоядерных реакций мы в момент, когда пишутся эти строки, находимся на уровне «ученика чародея». Мы можем вызвать термоядерную реакцию, но пока не в состоянии полностью управлять ею, с тем чтобы направить освобождаемую при этом энергию не на разрушение, а на созидание материальных благ.

Трудности, которые суждено преодолеть ученым на пути к освоению управляемых термоядерных реакций, велики.

Газообразный водород в термоядерном реакторе необходимо не только разогреть до баснословной температуры, исчисляемой сотнями миллионов градусов.

При столь высокой температуре любое вещество превращается в плазму, то есть газ, состоящий практически из «голых» ядер и электронов. Разумеется, такую горячую плазму невозможно удержать ни в одном сосуде. Но поскольку плазма состоит в основном из заряженных частиц, на их траекторию можно воздействовать магнитными полями. Тогда при достаточно сильных магнитных полях и их соответствующей конфигурации представляется возможность, несмотря на высокие скорости частиц, удерживать их в пространстве, в котором может быть осуществлена термоядерная реакция.

Однако плазма — это весьма свободолюбивая «особа». Чем больше ограничивается движение частиц, тем сильнее плазма стремится вырваться из- под опеки, освободиться от удерживающих ее магнитных уз.

В плазме, ограниченной магнитным полем, развиваются колебания и волны, и плазма «просачивается» между силовыми линиями магнитного поля. Магнитное удержание нарушается.

Было предложено немало хитроумных конструкций для удержания плазмы. Из них наиболее удачной оказалась система типа «Токамак».

Слово «Токамак» расшифровывается так: «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками».

Эта система, предложенная советскими учеными в 50–х годах и впервые осуществленная в СССР, получила признание во всех странах мира, где ведутся работы по управляемым термоядерным реакциям. Сегодня слово «Токамак» одинаково звучит на русском, английском, японском и многих других языках.

Тороидальная камера — это, грубо говоря, гигантский пустотелый бублик. В такую камеру вводится газообразный водород сравнительно небольшой плотности, в ней возбуждается кольцевой электрический ток силой в сотню тысяч ампер.

Внутри тороидальной камеры образуется кольцевой плазменный виток, или, как его называют физики, плазменный шнур. По этому витку течет ток.

Однако такой виток с током сам по себе неустойчив. Для того чтобы его стабилизировать, на поверхности камеры устанавливаются катушки, возбуждающие сильное магнитное поле, силовые линии которого направлены параллельно току в плазменном шнуре.

«Токамак» для собственных нужд потребляет очень много энергии. Например, для питания экспериментальной установки «Токамак 10» потребовалась подстанция на 180 тысяч киловатт.

Расчеты показывают, что для запуска промышленного термоядерного реактора типа «Токамак» понадобилось бы два миллиона киловатт, то есть мощность Куйбышевской ГЭС.

Существенное уменьшение энергии для питания «Токамаков» достигается при использовании сверхпроводящих магнитов.

В нашей стране была спроектирована и построена первая в мире сверхпроводящая электромагнитная система для установки «Токамак 7». В ней почти вплотную встретились самые низкие и фантастически высокие температуры: в нескольких сантиметрах от охлажденных почти до абсолютного нуля температуры сверхпроводящих витков бушует водородная плазма с температурой в десятки миллионов градусов. На сверхпроводящие катушки действуют электромагнитные силы в сотни тонн, а давление на центральный сердечник превышает 10 тысяч тонн.