Понятие об управляемой термоядерной реакции

Первые термоядерные реакции в земных условиях были осуществлены при взрыве водородных бомб. Необходимая для термоядерной реакции высокая температура была получена при взрыве атомной бомбы.

Принцип действия водородных бомб заключается в следующем. Смесь дейтерия и трития или других легких элементов, ядра которых при соединении дают гелий, помещается в общей оболочке с атомной бомбой. При взрыве атомной, бомбы температура повышается до нескольких десятков миллионов градусов и возникает развивающаяся термоядерная реакция превращения легких ядер в ядра гелия. Таким образом, атомная бомба служит как бы для «поджигания» смеси легких ядер.

Поскольку атомная бомба характеризуется наличием критической массы, мощность атомного взрыва имеет хотя и очень большую, но ограниченную величину. Масса же легких элементов в водородной бомбе в принципе может быть как угодно большой. Поэтому мощность взрыва водородной бомбы принципиальных ограничений не имеет.

В настоящее время в СССР и других странах ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции. Пока не удается осуществить термоядерную реакцию, ход которой можно было бы регулировать подобно тому, как это делается в ядерных реакторах. Дело в том, что для протекания реакции деления высокая температура совершенно не нужна и возникает, только когда выделяющееся в реакции деления тепло не успевает отводиться из активной зоны (как, например, при атомном взрыве); для термоядерной реакции высокая температура в активной зоне совершенно необходима. Поэтому для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо решить очень трудную задачу — удержать высокотемпературную плазму в рабочем объеме на достаточно длительное время.

В недрах звезд плазма удерживается огромным гравитационным давлением внешних слоев, а ее теплоизоляция обеспечивается значительным удалением от сравнительно холодных наружных областей. В земных условиях решить эту задачу пока не удается. Никакие стенки из вещества, конечно, не годятся, так как они быстро превратятся в пар. Основная надежда — использование сильных магнитных полей.

Высокотемпературную плазму можно получить, пропуская ток очень большой плотности через смесь водорода и дейтерия (или трития). При большой плотности тока образующийся плазменный шнур стягивается к своей оси собственным магнитным полем вследствие того, что токи одинакового направления притягиваются друг к другу.

Чтобы удержать плазму, вокруг нее создают также внешнее магнитное поле. Влетая в него, заряженные частицы, из которых состоит плазма, движутся под действием силы Лоренца по сильно искривленной траектории и отбрасываются. Заряженные частицы отражаются от таких концентрированных магнитных полей, как от стенок сосуда, поэтому они получили название магнитных ловушек.

На использовании этих принципов основано действие разработанных впервые в СССР термоядерных установок «Токамак» (название означает: тороидальная камера с магнитным полем). «Токамак» представляет собой, по существу, трансформатор, у которого вторичная обмотка имеет один виток — кольцевую камеру в форме тора (бублика), заполненную водородом и дейтерием.

При включении первичной обмотки в камере происходит пробой газа, газ ионизируется и протекающий по нему ток в сотни тысяч ампер превращает его в плазму с температурой в десятки миллионов градусов. Магнитное поле этого тока удерживает кольцевой шнур плазмы от соприкосновения со стенками камеры. Для стабилизации плазмы используется еще дополнительное магнитное поле, создаваемое катушками, размещенными вдоль тора.

На установках типа «Токамак» уже получена устойчивая термоядерная реакция, температура плазмы доведена до 60 млн. градусов. Однако пока освобождающаяся термоядерная энергия меньше затрачиваемой.

Применяются и другие способы получения высокотемпературной плазмы, например, с помощью лучей мощных лазеров. Однако температура, плотность плазмы и время ее удержания пока недостаточно велики для осуществления термоядерной реакции значительного количества ядер. (Термоядерная реакция небольшого количества ядер дейтерия D и трития T осуществляется легко и давно используется в высоковольтных D — Т-трубках для получения нейтронов.)

Преодоление этих трудностей и освоение управляемой термоядерной реакции позволит получить новый, практически неиссякаемый источник энергии.