Как действует токамак

Научно-популярный комментарий от специалиста для тех, кто хочет разобраться

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающего по плазменному шнуру.

Предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей и конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем были впервые сформулированы советским физиком О. А. Лаврентьевым в работе середины 1950-го года. Эта работа послужила катализатором советских исследований по проблеме управляемого термоядерного синтеза. А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм в 1951 году предложили модифицировать схему, предложив теоретическую основу термоядерного реактора, где плазма имела бы форму тора и удерживалась магнитным полем.

Термин «токамак» был придуман позже Игорем Николаевичем Головиным, учеником академика Курчатова. Первоначально он звучал как «токамаг» — сокращение от слов «тороидальная камера магнитная», но Н. А. Явлинский, автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» на «-мак» для благозвучия. Позже это название было заимствовано многими языками.

Токамак, по сути, является электромагнитом, только необычной формы. Благодаря своей конструкции, он становится ловушкой для высокотемпературной плазмы, которую иными способами удержать невозможно.

Наиболее легко осуществимой термоядерной реакцией является реакция “дейтерий + тритий”. Оба — изотопы водорода, в которых к ядру каждого атома (исходно представляющему из себя одинокий протон) добавились, соответственно, один и два нейтрона.

В процессе нагрева газа происходит следующее: атомы начинают двигаться более интенсивно, что в конечном итоге приводит к тому, что электрон, в обычных условиях жестко привязанный к ядру, срывается со своего места и, как говорится, становится свободным. Таким образом, плазма представляет из себя газ, в котором есть две разделимые части, одна имеет положительный электрический заряд (ядра), другая — отрицательный (электроны). Вторая, к тому же, гораздо более легкая, и, фактически, быстро улетучивается из области действия, так что такая дейтерие-тритиевая плазма попросту положительно заряженная. Важно упомянуть, что из-за отталкивания между одинаково (положительно) заряженными ионами, плазма всегда нестабильна и стремится разлететься в разные стороны. Именно поэтому важно сделать две вещи: разогнать плазму до достаточных скоростей и поместить ее в магнитное поле правильной конфигурации.

Благодаря силе Лоренца (действующей со стороны магнитного поля на движущийся электрический заряд), плазма начинает двигаться не по прямой, а по кривой. Токамак в целом сконфигурирован так, что эта кривая замыкается, и плазма совершает круговые движения по кольцу, причем весь поток не расходится широким пучком, а собирается обратно к центру.

Все эти приготовления нужны для того, чтобы ядра дейтерия и трития смогли сблизиться друг с другом (в обычных условиях это невозможно из-за взаимного отталкивания) и началась термоядерная реакция: ядра начинают активно обмениваться протонами и нейтронами, при этом разрывая междуусобные связи и создавая новые, в итоге возникает ядро гелия (два протона и два нейтрона) и отдельный нейтрон. Поскольку энергия связи внутри этого ядра получается меньшей, чем суммарная энергия в исходных материалах, то избыточная энергия просто высвобождается в количестве 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт), или 2,8 10^-12 Джоуля, или 7,8 10^–19 кВт∙ч. Именно выделение этой энергии и позволяет говорить о токамаке, как об источнике энергии.

PS

О современном токамаке

Конечно город Североснежинск и расположенный в нем токамак является плодом авторской фантазии. Однако нас интересовал вопрос, насколько наша фантазия близка к реальности.

Сюжет был уже практически написан, когда на ленте Информационного агентства ТАСС появилось следующее сообщение:

Пуск модернизированной российской термоядерной установки ожидается в 2018 году