В раскаленном веществе Солнца очень много водорода. Но не обычного газа, а водородной плазмы: она состоит не из целых атомов, а из атомных осколков—ядер и электронов. При колоссальной температуре солнечных глубин частицы водородной плазмы испытывают весьма быстрое и энергичное беспорядочное движение. Ядра при этом с разгона налетают друг на друга. Иногда столкновение бывает таким сильным, что ядра преодолевают взаимное электрическое отталкивание (они ведь все заряжены положительно), тесно сближаются и сливаются воедино. Тогда из двух ядер обычного («легкого») водорода, т. е. из двух протонов, получается ядро тяжелого водорода — дейтрон. Вместе с тем вылетают прочь отходы реакции — электрон и нейтрино. Так в результате реакции синтеза освобождается термоядерная энергия.

Осуществить реакцию синтеза легких ядер значительно труднее, чем реакцию деления тяжелых ядер. Реакция синтеза происходит при сближении ядер на расстояние порядка 10-13 см. Ядра дейтерия несут положительный заряд и взаимно отталкиваются, следовательно, они должны обладать очень большой кинетической энергией, чтобы преодолеть электростатические силы отталкивания и сблизиться. Такие условия можно обеспечить, если нагреть вещество до астрономических температур. Выделяющаяся при слиянии ядер энергия еще выше будет поднимать температуру вещества, участвующего в реакции синтеза, возникает ускоряющаяся термоядерная реакция.

Для осуществления термоядерной реакции нужно нагреть тяжелый водород-дейтерий примерно на 100 млн градусов Кельвина. При таких температурах вещество находится в состоянии плазмы. Основное препятствие в осуществлении управляемого термоядерного синтеза — удержание высокотемпературной плазмы. Одним из методов удержания плазмы является использование сильного магнитного поля, силовые линии которого обволакивают ее со всех сторон. В результате можно получить «клубок» высокотемпературной плазмы, «подвешенный» в вакууме и не взаимодействующий со стенками реактора.

Принципиальная схема реактора типа «ТОКАМАК» со стационарными условиями протекания реакции синтеза показана на рис.1.

Установка имеет тороидальную замкнутую камеру, надетую на ярмо трансформатора. Внутрь камеры выпускается газообразный дейтерий при сравнительно невысоком давлении. С помощью трансформатора в камере наводится ток индукции, который ионизирует газ, превращая его в плазму. Силовые линии, охватывая плазменный виток, сжимают его, а проходящий по витку плазмы ток нагревает ее.

Плазма, разогретая током и сжатая магнитным полем в шнур, удерживается внутри рабочей камеры в результате того, что силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно току индукции и охватывают плазменный виток. Чтобы плазменный виток был устойчивым, на поверхность рабочей камеры надевают магнитные катушки, создающие сильное поле, силовые линии которого направлены параллельно току в плазме.

Рис. 1. Принципиальная схема термоядерного реактора «ТОКАМАК»: 1- ярмо трансформатора; 2 — магнитные катушки; 3 — рабочая камера; 4 — виток плазмы; 5 — теплоизоляция; 6 — обмотка трансформатора; 7 — кольцевая камера; 8 — парогенератор

В результате взаимодействия двух магнитных полей образуется коаксиальное магнитное поле со спиральными линиями, охватывающими шнур плазмы. Энергия реакции термоядерного синтеза (около 80 %) выделяется в виде кинетической энергии образующихся нейтронов и используется для нагрева первичного теплоносителя (лития или гелия) в кольцевой камере, окружающей виток плазмы. Около 20 % общего энерговыделения составляет энергия заряженных частиц. Эту часть энергии используют для получения электроэнергии методами прямого преобразования.

Воспринятая в кольцевой камере теплота передается в парогенераторе рабочему телу — воде; полученный пар второго контура, как и в двухконтурных атомных электростанциях, направляется в паровые турбины для выработки электроэнергии.

Следует отметить, что синтез легких ядер в отличие от реакций деления тяжелых ядер не сопровождается образованием долгоживущих радиоактивных осколков, как в атомном реакторе [9,17].

Процесс синтеза идет очень медленно. Особенно первый его этап, когда два ядра водорода сливаются в ядро дейтерия. Характерное время этой реакции исчисляется миллиардами лет. Поэтому удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца, как ни странно, совсем невелика – около 200 Вт/м3. Примерно в таком же темпе выделяется энергия в теле человека. Лишь за счет гигантских размеров солнечный термоядерный реактор производит поток энергии, достаточный для поддержания жизни на нашей планете.

Для земной энергетики недостаточно мощности в 200 Вт/м3. К счастью, можно обойтись без самой медленной реакции — синтеза дейтерия, поскольку он существует на Земле в готовом виде. По одному его ядру приходится на 6700 ядер водорода. В каждом кубометре воды содержится 110 кг водорода и 33 г дейтерия. Казалось бы, немного, но если этот дейтерий сжечь в термоядерных реакциях, выделится столько же энергии, как при сгорании 200 т бензина, так что запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и неисчерпаемы.

Все началось более 70 лет назад с предположения, что можно сжигать изотопы водорода, получать гелий и соответствующие элементы. Энергия получается большая. На выходе – дешевые нейтроны. Идея хорошая, но требуется гигантская «солнечная» температура в 150 млн. градусов. И как удержать продукты горения при этой температуре? Сегодня мы умеем это делать, но в конце 20-х годов…

Сама идея возникла в 1928 году, когда аспирант Игорь Тамм был послан в Германию, чтобы закончить диссертацию. Приехав и оглядевшись, он сделал вывод, что ему тут делать нечего: все были заняты созданием современной квантовой механики. Случайно в научном журнале он нашел задачу, связанную с альфа-распадом. Там была обоснована идея, каким образом может вылететь альфа-частица из ядра, если там есть барьер, и высказано предположение, как два электрона, словно два катера, которые буксируют корабль из гавани, вытаскивают альфа-частицу из ядра. Это очень не понравилось Тамму, и, поскольку он немного знал квантовую идею туннельного эффекта, он сразу написал свою знаменитую работу, с которой началась квантовая ядерная физика. Его идею поддержали физики Бор и Резерфорд. Были созданы ускорители, и начались экспериментальные исследования реакции протонов, ускоренных на литии. Подобные исследования проводились и в России: на стыке 20-х и 30-х годов этим занимался Игорь Васильевич Курчатов в Ленинграде

В 1929 году И. Е. Тамм опубликовал первое издание своего учебника «Основы теории электричества». В этой книге он описал теорию магнитного поля, которая заключается в том, что магнитное поле отличается от электрического. У электрического поля силовые линии уходят в бесконечность или кончаются зарядом. А в магнитном поле они могут занимать замкнутое пространство внутри некого объема. Если это замкнутое пространство, то они могут его практически все заполнить. При определенной симметрии получаются ложные поверхности, из которых, собственно говоря, родилась идея магнитных ловушек. В своем издании он нарисовал «магнитную ловушку» – вложенные друг в друга тороидальные магнитные поверхности, которые получаются, когда течет ток. Если посмотреть на картинку, которая есть в первом издании, то это практически точное изображение токамака. В 1934 году Георгий Гамов высказал мысль, что протекающие при высокой температуре ядерные реакции могут быть источником энергии, способным в течение миллиардов лет поддерживать звезды в горячем состоянии. Детальную теорию ядерных реакций в звездах развил Ханс Бете в 1938 году. В этих реакциях из ядер водорода синтезируются более сложные ядра других элементов — гелия, лития, бора, углерода. А поскольку их образование происходит при высокой температуре, эти реакции с тех пор называют термоядерным синтезом. Гамов, с целью объяснения вероятности проникновения альфа-частиц через барьеры, описал альфа-распад и обратные реакции, в которых заряженные частицы проникают в ядро. Он сразу же заинтересовался термоядерным синтезом. Параллельно с Гамовым в 1951 году аспирант Андрей Сахаров рассчитал плазменную и термоядерную часть, а Тамм выдвинул идею замкнутых магнитных ловушек. Вот это как раз и был токамак.

Для термоядерной реакции, с одной стороны, нужны температура и «база», а с другой – вложенные друг в друга магнитные поверхности, которые образуют термоизоляцию этой «базы» в 150 млн. градусов. Конечно, идея токамака тогда не возникла, хотя Тамм задумывался над этим. Потом началась война, и идея, которую он обсуждал с Бухариным, Сахаровым, о том, чтобы сделать термоядерную реакцию на Земле, исчезла. Впоследствии о ней вспомнили, но она стала секретной.

Вначале хотели сделать установку для получения плутония, потому что в термоядерной реакции много нейтронов, которые выгоднее всего использовать для преобразования урана в плутоний. Это была первая идея получения ядерного топлива. Позднее плутоний стали получать в обычных реакторах и постепенно поняли, что военным эти исследования не нужны, и в 1956 году эту технологию рассекретили. Началась история токамака. Он из себя представляет трансформатор, внутри которого один плазменный виток, по которому течет ток. Были и другие схожие идеи. Американцы начали развивать идею стелларатора. Стелларатор, как и токамак, – это магнитная ловушка с замкнутыми магнитными поверхностями, но, в отличие от токамака, полоидальное магнитное поле, образующее магнитные поверхности, создается в стеллараторе с помощью внешних витков, а не током, протекающим по плазме. Эта магнитная ловушка была изобретена в Принстонской лаборатории в США Л. Спитцером. Там же были построены и первые экспериментальные стеллараторы. Стелларатор имеет большое преимущество перед токамаком – это стационарная машина, которая не требует сложных методов поддержания плазменного тока для ее стационарной работы. В то же время, в отличие от токамака, стелларатор – это принципиально аксиально-несимметричная ловушка с магнитной осью, представляющей собой трехмерную кривую, и переменным, в тороидальном направлении, сечением плазмы [23].