В 1952–1953 годах в лаборатории построили первый в мире стелларатор, известный как Model A. Это была небольшая опытная модель из 5-сантиметровых трубок из термостойкого боросиликатного стекла, и она подтвердила правильность концепции. Потом появились модели B-1 и B-2, а позже и другие конструкции.
Но у стеллараторов имелись и недостатки. В частности, из-за сложной траектории плазма теряла много энергии, и её было значительно сложнее довести до требуемого температурного режима, не говоря уже об очень коротком времени удержания при тех же энергозатратах в сравнении с токамаком.
Давайте теперь узнаем, что такое токамак.
Советская идея
Перекрученный тор не мог быть единственным решением проблемы Ферми. И если в США пошли по пути Спитцера, то в СССР предложили совершенно другой способ магнитного удержания плазмы – как показала практика, более перспективный.
У токамака был свой «Спитцер», и его звали Олег Лаврентьев. В 1948 году он служил солдатом-срочником на Сахалине и занимался самообразованием. Читал книги, учебники, подписался на журнал «Успехи физических наук». Особенно увлекла его ядерная физика, и в 1950-м он написал две свои первые статьи, отправленные секретной почтой в Комитет тяжёлого машиностроения ЦК. Там письма переправили эксперту – Андрею Сахарову, и тот понял, что наткнулся на золотой самородок. Во второй статье Лаврентьев излагал оригинальную систему магнитного удержания плазмы, то есть токамака; сам того не зная, он нашёл решение проблемы Ферми.
Отслужив, Лаврентьев вернулся в Москву, поступил на физфак МГУ, удостоился личной встречи с Берией и получил доступ в Лабораторию измерительных приборов АН СССР, то есть в будущий Курчатовский институт, где вели свои исследования Сахаров и Тамм. Олег Лаврентьев сделал достаточно типовую для советского учёного научную карьеру, но тему токамака дальше развивали другие специалисты.
Надо сказать, что письмо Лаврентьева пришлось кстати: к 1950 году Сахаров уже работал над системами магнитного удержания плазмы и столкнулся с проблемой Ферми. Пришедшая с Сахалина статья подтвердила правильность его собственных идей и послужила катализатором. Уже в январе 1951 года по запросу Сахарова было выделено финансирование под лабораторию, аналогичную проекту «Маттерхорн», а в 1954-м появился первый экспериментальный токамак.
В отличие от стелларатора, токамак не «мнётся», а остаётся совершенно правильным тором, отсюда и его название-аббревиатура – тороидальная камера с магнитными катушками. Этот тор надет на сердечник большого трансформатора, а плазменный шнур (то есть поток плазмы) внутри тора служит вторичной обмоткой. Именно ток, текущий в плазме, обеспечивает первичный её нагрев – примерно до 20 млн градусов; дальше она нагревается другими методами, например микроволновым излучением. Магнитное поле, удерживающее плазму, формируется в магнитных катушках, но их, как мы уже знаем, недостаточно для обеспечения устойчивости «плазменного шнура».
Вот тут-то и используется тот факт, что плазма в токамаке служит обмоткой. Ток, протекающий через неё, создаёт вокруг себя собственное магнитное поле, которое называют полоидальным. Для контроля этого поля в конструкции токамака предусмотрены полоидальные катушки, «надетые» на ось тороидальной камеры. Полоидальное поле слабее тороидального, но его достаточно, чтобы ограничивать траекторию плазмы, движущейся вдоль силовых линий, и не допускать её прикосновения к стенкам. То есть, по сути, в токамаке движение плазмы обеспечивается двумя магнитными полями: одно задает тороидальную траекторию плазменного шнура, второе стабилизирует её, не давая шнуру расплываться.
Как и стелларатор, токамак имеет свои преимущества и недостатки. Плюс в том, что плазма в нём теряет значительно меньше энергии и поддерживать нужные её характеристики проще. А основной недостаток токамака – в сложности конструкции и значительно более высокой стоимости, чем у конкурента. Кроме того, в отличие от стелларатора, который может работать непрерывно, токамак – «импульсное» устройство, потому что для появления тока во вторичной обмотке (плазменном жгуте) ток в первичной обмотке должен возрастать. А увеличивать его до бесконечности невозможно, так что процесс приходится прерывать и начинать заново.
Токамак против стелларатора: день завтрашний
В теории разработаны ещё несколько концепций устройств магнитного удержания плазмы. Например, пробкотрон, или магнитное зеркало, – незамкнутая система, свойств которой не хватает, к сожалению, для достижения плазмой должных температур. Так что реально работают только токамаки и стеллараторы.
Тут надо заметить, что, несмотря на появление устройств такого типа в начале 1950-х годов, реальную функциональность они обрели лишь к концу 1960-х. Первым по-настоящему рабочим токамаком, да и вообще установкой для магнитного удержания плазмы, считается Т-3, построенный в Курчатовском институте в 1968 году: на нём впервые в истории удалось достигнуть температуры в 10 миллионов кельвинов. Стеллараторам до такой температуры было далеко, притом что и её не хватало для управляемой термоядерной реакции. Это достижение на длительное время отодвинуло стеллараторы на второй план – вплоть до 2000-х годов абсолютное большинство магнитных ловушек для плазмы в мире были токамаками.
На сегодняшний день токамаки используются в лабораториях России, США, Японии, Китая, Великобритании, Франции – всего на май 2018 года существовало около 30 токамаков; самый старый работающий экземпляр был построен ещё в середине 1960-х в Курчатовском институте, после чего передан Чехословакии и многократно модифицирован. Сегодня он находится в Чешском техническом университете в Праге.
Конкуренция обострилась в 2000-х годах с появлением квазисимметричных стеллараторов. Первым таким устройством стал HSX (Helically Symmetric eXperiment), построенный в Висконсинском университете в Мадисоне по проекту профессора Дэвида Андерсона. На самом деле за хитрым названием прячется очередная конфигурация «бублика» – как я уже говорил, варьировать мятый тор стелларатора можно десятками разных способов, главное – найти оптимальную конфигурацию, которая позволит снизить потери энергии. Разработанные в последние годы конфигурации и особые режимы как раз к этому и привели – стеллараторы, избавившись от своего основного недостатка, постепенно начинают успешно конкурировать с токамаками. В 2015 году в немецком городке Грайфсвальд начал работу сверхсовременный стелларатор Wendelstein 7-X, и с его помощью уже добились температур плазмы в районе 80 млн градусов Цельсия.
Основная надежда мирового исследовательского сообщества сейчас связана с проектом ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор). Это примерно как МКС, только в области термоядерных реакций. Задуман он был ещё в середине 1980-х при участии СССР, США, Японии и ряда европейских государств, но ввиду множества политических и финансовых проблем практические работы начались лишь в 2005 году. Строят ITER неподалёку от Марселя (Франция) с 2007 года и сейчас, в 2019-м, его уже заканчивают. Сердце проекта – это токамак внешним диаметром 19 метров. Я не буду вдаваться в тонкости его конструкции – вы можете найти информацию самостоятельно. По графику работ первую плазму в токамаке ITER получат в 2025 году, а первую управляемую термоядерную реакцию с выделением энергии проведут лишь в 2035-м, когда эту книгу или благополучно забудут, или будут проходить в школах.
