Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

• Название: Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: Энергоатомиздат
• Жанр: Физика
• Год: 1988
• ISBN: 5-283-02929-8

В популярной и занимательной форме рассказывается об истории решения проблемы, волнующей в равной степени и ученых, и инженеров. Эта проблема — получение сильных магнитных полей. Известно, что чем большее магнитное поле удается создать в машине, тем меньшие габариты она имеет и дешевле стоит. Ученые разработали несколько эффективных способов получения сильного магнитного поля. Об успехах и неудачах на этом пути и рассказывается в книге.

Для учащихся старших классов, читателей, интересующихся историей и современными достижениями науки и техники.

---

прежнего положения, магнитное поле между ним и кожухом исказится, деформируется.

В одном месте силовые линии будут сдавлены, в другом — растянуты. Если опять

учесть присущее магнитным силовым линиям свойство упругости, то станет ясно, что

они постараются вернуть плазменный шнур в прежнее положение вдоль оси камеры.

Стабилизация плазмы продольным полем становится особенно эффективной, когда

удается сделать так, чтобы продольное поле существовало лишь в плазме, а вне ее,

т. е. в пространстве между стенками камеры и шнуром, отсутствовало. Это можно

осуществить в том случае, когда сжимающийся при прохождении сильного тока

плазменный шнур увлекает за собой все силовые линии продольного поля, созданного

в полном объеме камеры. Отрываясь от стенок камеры, плазменный шнур увлекает за

собой все магнитные силовые линии, ранее существовавшие в камере, создавая между

стенками камеры и шнуром магнитный вакуум в отношении продольного поля.

Все эти идеи начали практически воплощаться уже в 50-х годах. Первые установки

представляли собой стеклянные, фарфоровые или кварцевые тороидальные камеры

(впоследствии камеры чаще всего стали делать из тонкой нержавеющей немагнитной

стали), внутри которых размещали рабочие камеры с медными толстыми стенками,

иногда называемыми лайнерами. На камеру наматывали обмотку, создававшую

продольное стабилизирующее магнитное поле до 0,05 Тл. Внутренняя тороидальная

камера заполнялась газом. Этот кольцевой газовый виток служил вторичной обмоткой

трансформатора. Роль первичной обмотки, питающейся от мощной конденсаторной

батареи, выполнял внешний металлический кожух камеры. Для снижения магнитного

сопротивления использовали железный сердечник. Иногда в качестве первичной

обмотки применяли обычную медную.

В одной из первых установок трансформатор состоял из двух отдельных сердечников,

имевших круглые внутренние отверстия для размещения разрядной камеры. Сердечники

с внутренним диаметром 1,5 м и внешним диаметром 3 м были намотаны ленточной

трансформаторной сталью.

Если на первичную обмотку такого трансформатора дать мощный импульс тока от

конденсаторной батареи, то во вторичном газовом витке также возникнет

электрический ток. Этот ток проходит по газу, разогревает его до высокой

температуры, превращая в плазму. Плазменный шнур под влиянием тока сжимается и

отрывается от стенок.

Сходные конструкции имели и другие первые американские экспериментальные

установки: "Спектр", "Альфа" и "Пихэпетрон". На них были проведены

многочисленные эксперименты, результаты которых, однако, не оправдали надежд.

Выяснилось, что стабилизирующее продольное поле, вопреки первоначальным

прогнозам, было мало для того, чтобы сделать плазменный шнур устойчивым к

разного рода случайным возмущениям. Продольное магнитное поле по отношению к

собственному полю плазмы было слишком мало. Упругие жгуты внутри пружины

оказались слабыми для удержания ее от аварийных изгибов.

Чтобы обойти эту трудность, необходимо было резко увеличить продольное поле и

ослабить собственное поле шнура. Эта задача была решена советскими учеными на

установках типа токамак. Для создания сильного продольного поля в системе

использованы мощные соленоиды, которые приходилось питать от мощных импульсных

генераторов, используемых обычно для возбуждения синхротронов. Хотя магнитное

поле, создаваемое такими системами, импульсное (продолжительность импульса

примерно 0,2 с), оно в сотни раз превосходит по длительности время разряда и для

него является практически постоянным. Магнитное поле установок типа токамак

достигает 3,5…5 Тл, т. е. в сотни раз превышает поле установок типа "Альфа".

А как не допустить уменьшения радиуса шнура при линч-эффекте? Ведь при

уменьшении радиуса возрастает собственное поле шнура, и те преимущества, которые

достигнуты применением мощного продольного поля, сводятся к нулю. Однако если

поле шнура мало, то шнур останется слишком широким. Он будет касаться стенок

камеры и охлаждаться. Для преодоления этого явления конструкторы установок типа

токамак решили применить в тороидальной камере диафрагмы с небольшими по

сравнению с диаметром камеры отверстиями. Эксперименты показали, что эта

конструкция обеспечивает образование шнура с сечением, ограниченным размерами

отверстий диафрагм. В установке "Токамак-3", пущенной в Институте атомной

энергии имени И.В.Курчатова в 1962 г., отверстие диафрагмы имело диаметр 20 см,

диаметр поперечного сечения тора 40 см, диаметр внешнего кожуха 50 см, диаметр

тора 2 м. Продольное магнитное поле до 4 Тл создавали восемь катушек с внешним

диаметром около 1 м. Каждая катушка — это монолит из 352 медных витков,

запеченных в эпоксидной смоле. Питание катушек производилось от ударного, т. е.

кратковременно действующего, генератора мощностью около 75 тыс. кВт. В 1964 г.

пущена усовершенствованная установка "Токамак-5", в которой осуществлено

автоматическое управление положением плазменного шнура внутри камеры.

В 1975 г. вошла в строй установка "Токамак-10", обладающая рекордными,

чрезвычайно обнадеживающими характеристиками. Дальнейшее развитие привело к

разработке токамаков, обладающих параметрами, удовлетворяющими "критерию

Лоусона". В принципе на этих токамаках мы вступим, по выражению академика

Л.А.Арцимовича, в "термоядерное Эльдорадо". И все же нельзя забывать о том, о

чем говорил Л.А.Арцимович. Он часто подчеркивал, что еще в 1958 г. на II

Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве,

казалось, что до осуществления термоядерного синтеза рукой подать — нужно пройти

небольшей путь между двумя точками; потом оказалось, что надо не пройти, а

проехать на велосипеде; потом — что проехать на велосипеде, но по канату; потом

оказалось, что велосипед одноколесный; потом — что ехать нужно с завязанными

глазами; и наконец — что ехать необходимо задом наперед.

Результаты экспериментов на установках типа токамак чрезвычайно обнадеживающие.

Подобные системы, по-видимому, будут широко применяться в дальнейших

исследованиях.

Каким будет термоядерный генератор? Магнитная ловушка, по-видимому, получится

весьма большой. Только тогда мощность, потребляемая ею, будет невелика по

сравнению с мощностью генератора. Это происходит потому, что мощность генератора

находится в кубической зависимости от линейного размера системы, а потребляемая

обмотками мощность пропорциональна линейному размеру.

Исходя из соображений, касающихся мощности, потребляемой магнитной ловушкой,

можно считать, что термоядерный генератор должен быть никак не меньше нескольких

метров в диаметре. Только в этом случае полезная мощность генератора будет

больше мощности, потребляемой магнитной системой.

Однако, если удастся создать громадные сверхпроводящие обмотки, что весьма

реально, КПД генераторов резко возрастет.

Стоимость электроэнергии, получаемой от термоядерных электростанций, будет очень

низкой вследствие дешевизны исходного сырья (воды). Настанет время, когда

электростанции будут вырабатывать буквально океаны электроэнергии. С помощью

этой электроэнергии станет возможным, быть может, не только кардинально изменить

условия жизни на Земле — повернуть вспять реки, осушить болота, обводнить

пустыни, — но и изменить облик окружающего космического пространства — заселить

и "оживить" Луну, окружить Марс атмосферой.

Л.А.Арцимович писал: "Вряд ли есть какие-либо сомнения в том, что в конечном

счете проблема управляемого синтеза будет решена. Природа может расположить на

пути решения этой проблемы лишь ограниченное число трудностей, и после того, как

человеку, благодаря непрерывному проявлению творческой активности, удастся их

преодолеть, она уже не в состоянии будет изобрести новые. Неизвестно лишь,

насколько затянется этот процесс…"

Одна из основных трудностей на этом пути — создание магнитного поля заданной

геометрии и величины. Магнитные поля в современных термоядерных ловушках

относительно невелики. Тем не менее если учесть громадные объемы камер,

отсутствие ферромагнитного сердечника, а также специальные требования к форме

магнитного поля, затрудняющие создание таких систем, то следует признать, что