Отже, ми з’ясували «просту» частину (див. Частину 2: Чому для термоядерної реакції необхідна гаряча плазма?): щоб отримати чисту, безмежну енергію, нам просто потрібно відтворити серце сонця на Землі. Легко, правда? За винятком однієї дрібниці: наше «паливо» — це плазма, настільки розпечена, що вона миттєво спопелить будь-який фізичний контейнер.
Оскільки ми не можемо використовувати сталь чи кераміку, нам доведеться стати винахідливішими. Нам потрібен контейнер без стінок – магнітна пастка (або «магнітна пляшка»).
Сила Лоренца: невидимі рейки природи
Щоб зрозуміти, як «впіймати» газ із температурою в мільйони градусів, потрібно поглянути на особливий «характер» плазми. Оскільки плазма складається із заряджених іонів та електронів, вона неймовірно чутлива до магнітних полів.
Уявіть собі лінію магнітного поля як невидиму залізничну колію. Якщо заряджена частинка намагається рухатися вздовж колії, вона не відчуває опору. Але щойно вона спробує перетнути лінію поля, вступає в дію фізичний «вишибала», відомий як сила Лоренца.
Ця сила штовхає частинку перпендикулярно, змушуючи її рухатися по тугій круговій орбіті навколо лінії поля. Вчені називають це ларморовим радіусом. Оскільки частинки фактично «приклеєні» до цих невидимих рейок, вони можуть вільно рухатися в одному напрямку, але ефективно заблоковані від руху вбік — до стінки реактора.
Чому Земля — недосконалий термос
Ви могли б подумати, що ми можемо просто використати велику сферу — як Земля — для утримання нашої плазми. Зрештою, магнітне поле Землі вже вловлює протони та електрони від сонця (створюючи прекрасне полярне сяйво, коли вони «витікають» в атмосферу).
Але «витік» тут є ключовим словом. Сфера — жахлива форма для термоядерного реактора, тому що магнітні лінії мають звідкись виходити і кудись входити. На північному та південному полюсах лінії поля пірнають прямо в землю. Це «великі дірки», через які плазма просто піде по рейках і вдариться в стінку реактора.
Магнітний «бублик»: Торус
Щоб створити справді герметичну пастку, нам потрібна форма, де лінії поля ніколи не закінчуються. Якщо ми візьмемо циліндр і зігнемо його, поки кінці не з’єднаються, ми отримаємо торус — або, як я його називаю, «термоядерний бейгл».
У торусі лінії поля можуть нескінченно ходити по колу (у тороїдальному напрямку) або обертатися навколо «трубки» (у полоїдальному напрямку). Поєднавши їх, ми отримуємо гвинтові лінії, схожі на смужки на різдвяній цукерці.
Cтеларатор Спітцера та непоказний токамак
Спроектувати це було непросто. У 1950-х роках американський фізик Лайман Спітцер зрозумів, що простий торус має фатальну ваду: магнітне поле всередині «дірки» сильніше, ніж зовні. Цей дисбаланс змушує іони дрейфувати вниз, а електрони — вгору, створюючи електричне поле, яке викидає всю плазму з пастки.
Перше рішення Спітцера? Скрутити весь апарат у форму вісімки. Він назвав це стеларатором, сподіваючись відтворити умови зірки (stella). Це було диво інженерії, але його було неймовірно важко побудувати з точністю, необхідною для утримання плазми.
Тим часом на конференції 1958 року радянські вчені з’явилися з таємничим, непоказним пристроєм під назвою токамак. У той час як стеларатор Спітцера використовував складні зовнішні котушки для закручування магнітного поля, токамак використав хитрий трюк: він пропускав електричний струм через саму плазму, щоб допомогти створити пастку.
Ця функція «самолікування» зробила токамак лідером у термоядерних перегонах. Але, як ми побачимо в наступній частині, чи то «претзель», чи «бейгл» — утримання зірки — це гра хаосу, магнітів і екстремального терпіння.
Біогенетичне диво
P.S. Якщо ви захоплюєтеся науковою фантастикою, запрошую вас прочитати мою книгу «Біогенетичне диво»
Дякую за увагу, Lumin Hopper
