Исследования высокотемпературной плазмы на Токамаках

Государственная премия СССР 1971 года по физике присуждена коллективу ученых Института атомной энергии им. И. В. Курчатова во главе с академиком Л. А. Арцимовичем за цикл работ по исследованию высокотемпературной плазмы с помощью установок Токамак.
Установки Токамак — это системы для по лучения высокотемпературной плазмы, использующие магнитную термоизоляцию и омический нагрев плазмы (т. е. нагрев протекающим по самой плазме током).
Главный критерий совершенства экспериментальных установок для получения термоядерной реакции в плазме, как известно, заключается не только в возможности получения температур порядка десятков миллионов градусов, но и в выполнении так называемого критерия nt. Согласно этому критерию возможность осуществления термоядерной реакции с положительным выходом зависит от значения произведения плотности нагреваемой плазмы n на время ее устойчивого состояния t. Причем положительный выход становится возможным, когда произведение nt становится больше, чем 10¹⁴.
В наиболее совершенных термоядерных установках классического типа, т. е основанных на удержании плазмы магнитным полем, достигнуты значения nt~10¹². Хотя число происходящих в этом случае термоядерных реак ций и соответственно выход нейтронов весьма незначительны, само осуществление термоядерной реакции и изучение физических характеристик этого явления представляет огромный интерес.
Чтобы обеспечить достаточно длительное существование горячей плазмы, необходимо создать такую конфигурацию удерживающего плазму магнитного поля, которая обеспечивала бы и равновесие плазмы, и ее устойчивость. Одной из немногих систем, обладающих сочетанием этих свойств, является система Токамак, в которой кольцо или виток плазмы удерживается магнитными полями, создаваемыми током в самом кольце плазмы, и током, текущим по обмотке, охватывающей камеру с плазмой. Силовые линии суммарного поля образуют винтовую структуру, позволяющую обеспечить устойчивость по отношению к дрейфу частиц плазмы.
Наличия лишь одного внешнего поля было бы недостаточно для такой устойчивости. Действительно, поле обмотки сильнее на оси коль ца плазмы, чем в его внешних областях, и плазма, которая выталкивается из области сильного магнитного поля в направлении его уменьшения, не могла бы устойчиво существо вать на оси кольца. Именно магнитное поле тока самой плазмы, которое возрастает при приближении к поверхности плазменного витка, компенсирует опасный дрейф.
Еще одну опасность для устойчивого суще ствования витка — его стремление растягиваться при пропускании по нему тока — удалось ликвидировать весьма простым и остроумным способом. Оказалось, что для этого достаточно окружить весь виток хорошо проводящим ток металлом, и тогда наводимые в этом металле вихревые токи будут отталкивать от себя ток витка.
Такова в главных чертах схема Токамака. Она выглядит довольно простой, но за этой простотой стоит многолетний напряженный труд многих ученых и инженеров Института атомной энергии по совершенствованию конфигураций магнитного поля, по обеспечению глубокого вакуума, борьбы с примесями, по разработке методов диагностики плазмы.
В конструкции этих установок суммирована значительная часть почти двадцатилетнего опыта работ Института атомной энергии по проблеме управляемого термоядерного синтеза.
Опыты с помощью установок Токамак дали много новых, интересных сведений о свойствах плазмы, помещенной в магнитное поле Так, например, в ходе этих экспериментов были получены данные, заставившие существенно изменить теоретические представления о механизме диффузии в магнитном поле.
На самой крупной из установок семейства Токамаков при силе тока в витке около 150 тыс. а для плазмы с плотностью 5-10¹³г/см³ и температурой около 5 млн. градусов было получено время удержания порядка 15 мсек.
Следовательно, удалось значительно продвинуться по пути к желанному порогу — «термоядерному Эльдорадо», по выражению Л. А. Арцимовича, — nt~10¹⁴.
В установке Токамак впервые успешно преодолены главные препятствия на пути к созданию устойчивой высокотемпературной плазмы. При этом время удержания плазмы в системе типа Токамак увеличивается с его размерами. Поэтому в принципе на основе Токамака мог бы быть построен термоядерный реактор. Однако необходимые для этого размеры установки и величина магнитного поля пока превышают возможности современной техники. Кроме того, по-видимому, придется видоизменять способ нагрева плазмы, так как настоящие термоядерные температуры, порядка 100 млн. градусов, вряд ли могут быть достигнуты за счет омического нагрева плазменного витка.