Добавление, январь 1988 г. 2 декабря 1987 г. Яков Борисович умер от инфаркта. Мы так и не успели как следует поговорить, встретиться. Все наносное, мелочное отпало, исчезло, остались – результаты его постоянной, поистине необъятной работы. И те, кто с его помощью вошли в науку.)
Я иногда ловлю себя на том, что веду с Я. Б. мысленный диалог на научные темы.
Глава 9
Магнитный термоядерный реактор. Магнитная кумуляция
К первым объектовским годам (1950–1951) относится наша совместная с Игорем Евгеньевичем Таммом работа по проблеме управляемой термоядерной реакции.
Я начал думать, как я уже писал, об этом круге вопросов еще в 1949 году, но без каких-либо разумных конкретных идей. Летом 1950 года на объект пришло присланное из секретариата Берии письмо с предложением молодого моряка Тихоокеанского флота Олега Лаврентьева. В вводной части автор писал о важности проблемы управляемой термоядерной реакции для энергетики будущего. Далее излагалось само предложение. Автор предлагал осуществить высокотемпературную дейтериевую плазму с помощью системы электростатической термоизоляции. Конкретно предлагалась система из двух (или трех) металлических сеток, окружающих реакторный объем. На сетки должна была подаваться разница потенциалов в несколько десятков Кэв, так чтобы задерживался вылет ионов дейтерия или (в случае трех сеток) в одном из зазоров задерживался вылет ионов, а в другом – электронов. В своем отзыве я написал, что выдвигаемая автором идея управляемой термоядерной реакции является очень важной. Автор поднял проблему колоссального значения, это свидетельствует о том, что он является очень инициативным и творческим человеком, заслуживающим всяческой поддержки и помощи. По существу конкретной схемы Лаврентьева я написал, что она представляется мне неосуществимой, так как в ней не исключен прямой контакт горячей плазмы с сетками и это неизбежно приведет к огромному отводу тепла и тем самым к невозможности осуществления таким способом температур, достаточных для протекания термоядерных реакций. Вероятно, следовало также написать, что, возможно, идея автора окажется плодотворной в сочетании с какими-то другими идеями, но у меня не было никаких мыслей по этому поводу, и я этой фразы не написал. Во время чтения письма и писания отзыва у меня возникли первые, неясные еще мысли о магнитной термоизоляции. Принципиальное отличие магнитного поля от электрического заключается в том, что его силовые линии могут быть замкнутыми (или образовывать замкнутые магнитные поверхности) вне материальных тел, тем самым может быть в принципе решена «проблема контакта». Замкнутые магнитные силовые линии возникают, в частности, во внутреннем объеме тороида при пропускании тока через тороидальную обмотку, расположенную на его поверхности (рис. 6). Именно такую систему я и решил рассмотреть.
Рис. 6
В начале августа 1950 года из Москвы вернулся Игорь Евгеньевич – кажется, ему был предоставлен кратковременный отпуск. Он с огромным интересом отнесся к моим размышлениям – все дальнейшее развитие идеи магнитной термоизоляции осуществлялось нами совместно. Вклад И. Е. был особенно велик во всех расчетах и оценках и в рассмотрении основных физических концепций – магнитного дрейфа, магнитных поверхностей и некоторых других. Первоначально я предложил назвать нашу тему ТТР (тороидальный термоядерный реактор), но И. Е. придумал более общее и удачное название МТР (магнитный термоядерный реактор); это название привилось, оно применяется и к другим схемам с магнитной термоизоляцией.
Рис. 7
Первая (еще не самая серьезная) трудность, на которую мы обратили внимание, была проблема магнитного дрейфа. Общая картина движения заряженной частицы (иона или электрона) в сильном магнитном поле – спираль, «навитая» на магнитную силовую линию. Радиус витков спирали обратно пропорционален магнитному полю и называется «ларморовским радиусом». Таким образом, двигаясь вдоль силовой линии, частица не выходит из реакторного объема и не соприкасается со стенками, если сами силовые линии не выходят к стенкам. Это и есть принцип магнитной термоизоляции. Но приведенная картина справедлива лишь приближенно, с точностью до параметра, определяемого отношением ларморовского радиуса к радиусу кривизны магнитной силовой линии. Из-за неоднородности магнитного поля в общем случае возникает смещение центра ларморовской окружности, уводящее его с магнитной силовой линии («магнитный дрейф»). Кроме того, возможен дрейф, вызванный электрическими полями («электрический дрейф»). Происхождение явления дрейфа легко понять – см. рис. 7; на этом рисунке предположено, что магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа, а напряженность возрастает в направлении оси Х. Кривизна траектории движения заряженной частицы пропорциональна величине магнитного поля и больше в точке В, чем в точке А; в результате траектория частицы (точней, ее проекция на плоскость, перпендикулярную вектору магнитного поля) оказывается незамкнутой, что изображено на рисунке (дрейф в направлении оси Y). Аналогично действует направленное вдоль оси Х электрическое поле. Магнитное поле, созданное тороидальной обмоткой (в отсутствие плазмы) внутри тороида, совпадает с полем прямого тока, текущего вдоль оси вращения; его напряженность обратно пропорциональна расстоянию до оси вращения. В результате возникает дрейф (смещение) заряженных частиц в направлении, параллельном оси вращения, и они попадают на стенку тороидального объема.
Рис. 8
Выход из этой трудности – в рассмотрении систем, в которых, кроме поля, созданного тороидальной обмоткой, есть еще налагающееся на него поле, созданное циркулярным током, текущим внутри тороидального объема (рис. 8). В таких системах уже нет замкнутых магнитных силовых линий, но есть замкнутые магнитные силовые поверхности, охватывающие циркулярный ток. Магнитные силовые линии спирально навиваются на эти поверхности, опять никуда не выходя за пределы внутреннего объема. О магнитных поверхностях есть упоминание еще в курсе И. Е. «Основы теории электричества», написанном задолго до того, как они нам понадобились. В 1950–1951 гг. И. Е. развил эти идеи. Важный вклад (на этом этапе) внес также Н. Н. Боголюбов. В дальнейшем математическую проблему магнитных поверхностей продолжали разрабатывать другие ученые. Мы показали еще в 1950 г., что, хотя магнитный дрейф в таких системах и происходит, он уже не выводит частицы за пределы ограниченного объема. Игорь Евгеньевич сделал тогда еще одно наблюдение, на много лет опередившее развитие МТР. Он указал, что крайне опасно возникновение таких нарушений структуры (топологии) магнитных поверхностей, при которых некоторые магнитные силовые линии могут быть «стянуты в точку» внутри тороидального объема. Такая «бананная», как ее называют, структура может возникнуть, например, из-за неправильностей в изготовлении тороидальной обмотки или из-за плазменных неустойчивостей (см. далее) – и приводит к колоссальному увеличению теплоотвода. В наших первых предложениях мы рассматривали две возможности создания циркулярного тока – при помощи специального кольца с током, расположенного внутри реакторного объема, и при помощи индукционного тока, текущего непосредственно по плазме и созданного импульсными токами в расположенных вне тороидального объема дополнительных циркулярных обмотках. Эта последняя система наиболее близка к системе «Токамак», которая сейчас (1982 г.) представляется одной из наиболее перспективных во всей проблеме управляемой термоядерной реакции. Мы написали отчет-предложение и, что тогда было важнее, рассказали о наших идеях И. В. Курчатову.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
