Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

С 1950 г. начались активные работы по проектированию устройства, технически воплощавшего магнитную ловушку. Первоначальной моделью такого устройства был прямотрон.

Ему присвоили такое название потому, что он представлял собой прямую трубу (прямолинейную ловушку), в которой должны были разгоняться частицы. Конструкция прямотрона была несовершенной, т. к. длина такой трубы должна была равняться нескольким десяткам километров. Гораздо перспективнее оказался проект прямолинейной ловушки с магнитными «пробками» на концах. Они должны были отражать поток частиц плазмы, отбрасывая их в противоположную сторону. Длина «пробкотрона» составила бы менее 100 м.

После того как была отвергнута и конструкция «пробкотрона», физики разработали замкнутую ловушку со сведенными вместе концами. Получился ускоритель-тороид, в котором плазма могла бесконечно долго разгоняться, двигаясь по кругу. Проблема удержания быстрых частиц была решена на основе работ И. Е. Тамма по теории электромагнитного поля. Чтобы частицы не смещались в замкнутом тороидальном магнитном поле, необходимо завить его силовые линии в спираль. Для этого требуется пропустить друг через друга два тока. Первый будет создавать магнитные силовые линии в форме окружностей, тогда как второй потечет по новым силовым линиям. В результате оба тока будут генерировать общее магнитное поле с силовыми линиями, закрученными спирально. Частицы плазмы внутри тороида будут двигаться не только вдоль замкнутых линий тороидального поля, но и описывать вокруг них спираль.

В 1954 г. под руководством И. Е. Тамма была создана первая тороидальная электромагнитная ловушка для плазмы, получившая название «ТОКАМАК». Ее название представляет собой аббревиатуру, которая расшифровывается как «Тороидальная КАмера с МАгнитными Катушками». В названии подчеркнуто, что главным элементом конструкции являются катушки, создающие мощное, в несколько Тл (тесла), магнитное поле. За последующие годы ученым удалось построить еще несколько установок подобного типа, которые также были названы Токамаками.

Эти катушки напоминают гигантские трансформаторы. Рабочая камера Токамака заполняется газом, а в катушках возбуждается магнитное поле. В результате пробоя под действием вихревого поля происходит усиленная ионизация газа в камере, отчего тот превращается в плазму. Возникает плазменный шнур, движущийся вдоль тороидальной камеры и разогреваемый продольным электрическим током. Магнитные поля катушек и плазмы удерживают шнур в равновесии в вакууме и придают ему форму, которая не дает шнуру касаться стенок.

Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры не более 10 млн °С, для получения большей температуры необходимо применить другие методы. Кроме того, постоянно нагревать плазму током опасно, поскольку он создает собственное магнитное поле. Если оно превысит по силе поле катушек, то скорость движения плазменного шнура сильно увеличится и он, прорывая теплоизоляцию, будет касаться стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения (инжекции) в камеру пучков быстрых атомов.

В современных Токамаках удалось получить температуру плазменного шнура около 200 млн °С. Этого более чем достаточно для проведения термоядерных реакций. Однако Токамак нельзя считать энергетической установкой. Он не вырабатывает энергию, а служит для проведения опытов и научных исследований. Это устройство является одним из сложнейших инструментов физиков. Работа на Токамаке напоминает генеральную репетицию перед выступлением — созданием энергетики синтеза.

Ученые предполагают, что в будущем термоядерный синтез окажется гораздо более важным и нужным для человека, поскольку позволит нам зажечь искусственное Солнце, когда погаснет настоящее. Это катастрофическое событие случится спустя 5 млрд лет. Человечество должно к тому времени освоить контроль над термоядерными реакциями настолько, что бы не дать гаснущему Солнцу взорваться и погибнуть, погубив заодно жизнь на нашей планете. Следовательно, энергетика синтеза имеет одновременно гораздо более значимое будущее, чем может показаться на первый взгляд: ей суждено спасти обитателей Земли.