История научных исследований в области управляемого термоядерного синтеза

Санкт-Петербургский
государственныйполитехнический университет
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р Е Ф Е Р А Т
 
 
Дисциплина: История ифилософия науки
 
 
Тема:
История научных исследований в области управляемоготермоядерного синтеза
 
 
 
 
 
Выполнил аспирант
кафедры   физики плазмы  
Физико-технического факультета                             П.А.Молчанов
 
 
Научный руководитель
проф., д. ф.-м. наук                                                    В.А.Рожанский
 
“____” ___________2008 г.
 
 
 
 
Санкт-Петербург
2008
 
 
Содержание
Введение… 2
1.. Токамаки- лидер в  решении проблемы управляемогосинтеза….   4
2.. Стеллараторы… 29
3.. Инерциальныйтермояд… 49
Заключение… 69
Списоклитературы… 72
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Введение
Говорят, говорят, скоро будет термояд,
Будет мирный, будет смирный, управляемый.
Нам об этом термояде говорили в детстве дяди.
Говорят, говорят, скоро будет термояд!
А теперь мы сами дяди, сами то же говорим
И мечтой о термояде все горим, горим, горим...
(Изпоздравления И.Е.Тамму в день его 75-летия, народное творчество) [5]
 
Да и как не гореть, если точно известно, что в каждомпо­лулитре любой окружающей нас воды заключена потенциальная энергиятермоядерного синтеза, эквивалентная энергии сгорания бочки бензина!
Речь идет о двух почти равноверо­ятных реакциях: D+ D→He3+ n и D+ + D→T + pc выделением в каждом акте синтеза 3.25 либо 4 МэВ энергии (1МэВ = 1.6• 10–13Дж). Здесь: р — протон, D — дейтон,ядро тяжелого изотопа водорода (дейтерия) с одним нейтроном (n) в ядре, а T — тритон, ядро сверхтяжелого (трития) — с двумя. Образовавшийся тритон вступит вреакцию D+ T→He4(3.6 МэВ) + n (14 МэВ).
В итоге: 5D→He3+ He4 + р + 2n + (24.85 МэВ).
Дейтерий составляет одну семиты­сячную добавку кприродному водороду, а потому является практически безгра­ничным источникомэнергии. Наиболее энергоемкие продукты реакции синтеза — быстрые нейтроны —могут быть использованы в традици­онном энергетическом пароводяном цикле(«чистый» синтез) или, что значи­тельно эффективней, в цикле деления урана либотория, для создания глубоко подкритического, а потому безопасного реактораделения на быстрых нейтро­нах (гибридный вариант). В таком слу­чае речь пойдетуже о десяти и более бочках бензина… Правда, при этом мы основательнозабираемся в область реакторов деления с их традиционными проблемами. Хотя и«чистый» синтез до конца не чист, коль скоро в нем фигу­рируют нейтроны итритий, но, по оцен­кам специалистов, уровень экологичес­ких проблем может бытьснижен для него в десятки раз по сравнению с энергетикой деления. Его главноепре­имущество — отсутствие жидких и газо­образных радиоактивных отходов. Наве­деннаяактивность конструкций может быть существенно уменьшена (если воз­никнет такаянеобходимость) примене­нием ванадиевых сплавов. Дабы не те­рять столь важныепреимущества, огра­ничимся далее темой «чистого» синтеза, реакциями D+Dи D+T.
Огромная притягательная силапроблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС) для ученых связана свозможностью использования неограниченных термоядерных ресурсов энергии наземле — энергии, выделяющейся при слиянии легких атомных ядер и образованииболее тяжелых. В качестве топлива здесь в первую очередь будут служить тяжелыеизотопы водорода — дейтерий и тритий. Запасы же дейтерия таковы, что их хватит длянужд человечества на миллионы лет даже при очень высоком росте потребленияэнергии. Но на пути к контролируемому использованию этой энергии природапоставила перед людьми исключительно большие трудности. Дело в том, что реакциясинтеза может произойти, если два ядра сближаются на расстоянии порядка ихсобственного размера 10-13см. Чтобы этосближение произошло, положительно заряженные ядра должны преодолеть взаимноеэлектростатическое отталкивание, т. е. обладать большой энергией. Осуществитьэто можно, нагрев вещество до очень высокой температуры, когда кинетическаяэнергия ядер оказывается достаточно большой для преодоления электростатическогоотталкивания при их столкновениях. В природе такие условия существуют в недрахзвезд, и человечество давно использует энергию такого термоядерного реактора ввиде потока световой энергии Солнца. Изучив природу этого источника энергии,люди сравнительно быстро осуществили этот процесс на Земле, создав мощнейшееоружие — термоядерную бомбу. Но для осуществления управляемого термоядерногосинтеза потребовалось провести огромный объем исследований. Работы по УТС былиначаты 57 лет назад, когда возникли первые идеи об удержании плазмы. 5 мая 1951 г.,Постановлением Совета Министров СССР была принята, по-видимому, первая в миреправительственная программа «О проведении научно-исследова­тельских иэкспериментальных работ по выяснению возможности осуществления магнитного термо­ядерногореактора» [4]. В CCCР былапредложена идея магнитного удержания и термоизоляции горячей плазмы, котораялегла в основу развития так называемых стационарных систем, в которых реакциясинтеза дейтерия и трития должна протекать в форме медленного горения. Внастоящее время лидирующее положение заняла программа Токамак. Работы по этойпрограмме ведутся сейчас широким фронтом во всем мире.
Благодаря многолетним упорнымусилиям ученых и инженеров многих стран мира достигнута возможность созданиятермо­ядерного реактора. Проект Международного Термоядерного ЭкспериментальногоРеактора ИТЭР разрабатывается в настоящее время на основе сотрудничестваЕвропейского сообщества (Евроатома), России, США и Японии. Целью реактора ИТЭРявляется демонстрация научной и технической возмож­ности мирного использованияэнергии ядерного синтеза. В основу этого реактора положена концепция токамака.
 1.    Токамаки- лидер в  решении проблемы управляемогосинтеза
Первый период термоядерных исследований в СССР
К первому периоду исследований по управляемому термоядерномусинтезу (УТС) можно отнести 1951 — 1975 гг. К концу этого периода лидирующими установ­камимагнитного удержания плазмы становятся системы с тороидальным электрическимтоком и сильным магнитным полем -токамаки. В связи с развитием термо­ядерногооружия эти исследования в начальный период носили сверхсекретный характер, чтоналожило отпечаток на историю их развития. Можно упомянуть, например, чтопринятию официальных про­грамм по термоядерному синтезу в США и СССРспособствовало заявление Президента Аргентины о якобы успешном проведенииуправляемой реакции син­теза в этой стране.
Термоядерные исследования начались в середине XXвека, преждевсего в странах, разрабатывавших термо­ядерное оружие. Причина этого проста:именно в этих странах были накоплены знания и опыт осуществления дорогостоящихпроектов, необходимых для таких иссле­дований. Невероятные же по интенсивноститемпы организации необходимых работ объясняются следую­щими двумяобстоятельствами.
1).     Первоначальнойцелью создания термоядерных
реакторов с дейтериевой плазмой было, прежде всего,
производство ядерных материалов (зарядов) для термо­ядерного оружия. Стремлениене отстать от соперника в оснащенности  мощнейшим   оружием  было   главным стимулом дляпринятия решений о проведении исследо­ваний по УТС как в СССР, так и в США [4].
2).     Успех всоздании ядерного оружия вселял уверен­ность в столь же быстром решении ипроблемы создания
термоядерного реактора. Эта надежда не оправдалась,
но переориентировка программы на производство элект­роэнергии с использованиемнеисчерпаемого и экологич­ного источника реакций синтеза стала важнейшим сти­муломдля решения проблемы УТС во всем мире.
Следует отме­тить, что еще в 1955 г. на открытииПервой международ­ной конференции по мирному использованию атомной энергиипредседательствующий X. Баба (Н. Ваhbа) высказалпредположение, что «метод управляемого высвобождения энергии ядерногосинтеза будет найден в предстоящие 20 лет», т.е. к 1975 г. [4]. Внекотором смысле это предсказание действительно сбылось. К этому вре­мени натокамаке Т-3 и его модификации Т-4 была продемонстрирована плазма стемпературой масштаба 1 кэВ (1968-1969 гг.). В начале семидесятых годовпроисходит решительный переход на токамаки во мно­гих лабораториях, связанных смагнитным удержанием плазмы. В Курчатовском институте 1975-й год завер­шаетсявводом в строй достаточно большого по тем временам токамака Т-10 (работа на немпродолжается и в наши дни). А на токамаке РLТ этого жепоколения (введен в строй в том же году в Принстоне, США) с помощью инжекциипучка быстрых атомов дейтерия несколько позже (в 1978 г.) удалосьполучить плазму с температурой ионов 7 — 8 кэВ [4].
Рассматриваемый период связан в основном, с именемпервого руководителя государственной про­граммы исследований по УТС Л.А.Арцимовича, скон­чавшегося в 1973 г. На раннейстадии термоядерные исследования были строго засекречены даже после перемены ихцели с поддержки военных программ на мирное использование ядерной энергии.Внутри Лаборатории измерительных приборов Академии наук (ЛИПАН — кодовоеназвание будущего Курчатовского института) никто, кроме не­большой группыисследователей, не знал, что делается в новом здании Бюро электрическихприборов (БЭП), стоящем недалеко от здания Отдела электроаппаратуры (ОЭА), гдепод руководством Л.А. Арцимовича разраба­тывались методы электромагнитного разделенияизото­пов для наработки материала для атомных бомб. Даже в самых секретныхотчетах одно время использовались загадочные слова: «гуща» (дляобозначения плазмы), «высота» (температура), «струя»(магнитное поле). Так что, например, фраза «высокотемпературная плазма вмагнитном поле» кодировалась странным выражением «высокая высота гущив струе» [4].
Любопытно, что каждая из первых трех стран — участницисследований по УТС на основе замкнутых тороидальных систем — открылаопределенное направ­ление магнитного удержания плазмы. Эксперименты стороидальным газовым разрядом в Великобритании создали направление«тороидальные пинчи с обращенным тороидальным магнитным полем»,сокращенно RFP(ReversedFieldPinch). Внастоящее время соответствующие крупные установки имеются: одна — в Падуе(Италия), другая — в Бостоне (США). Предложение А.Д. Сахарова и И.Е. Тамма о«Маг­нитном термоядерном реакторе» привело к системам«токамак», занявшим лидерство в мировой программе исследований поУТС. Изобретение Л. Спитцером замкнутой системы маг­нитного удержания свложенными магнитными поверх­ностями плазмы, на которых каждая магнитнаясиловая линия, проходя вдоль системы (топологического тора) с проворотом нанекоторый угол («вращательное преоб­разование»), плотно покрываетзамкнутую тороидаль­ную поверхность, породило фундаментальное научноенаправление стационарных «стеллараторных», или «винтовыхсистем» магнитного удержания плазмы. Эти системы задержались в своемразвитии из-за их большей сложности и неудачных экспериментов первого периодаих истории. В настоящее время они приобрели «второе дыхание» и нарядус традиционным подходом, самым большим их современным представителем являетсякрупнейшая винтовая система LHD(LargeНеliса1 Device) в Японии, атакже развиваются усовершенство­ванные "advancedhelicalsystems"(продвинутые винтовые системы), «живым» представителем которыхявляется крупный стелларатор