Кванты и музы

Первый обнадёживающий путь указал академик Тамм: создать и нагреть плазму электрическим разрядом и удержать её силой магнитных полей в особых «магнитных бутылях». По этому пути пошли многие учёные. Исследователи увлекались то одной, то другой конструкцией остроумных и, казалось, надёжных устройств — как правило, это были громоздкие приборы, скованные массивными электромагнитами. Но наградой были лишь неудачи. Из этих «магнитных бутылей» плазма вытекала, словно молоко из дырявых пакетов. Рукотворное солнце не зажигалось… Этот путь дал лишь опыт, понимание трудностей задачи, но не практический результат.

Самый конструктивный способ, основанный на принципе магнитного удержания плазмы, был предложен и разработан учёными под руководством академика Арцимовича. Они придумали магнитную бутылку, лишённую горла. Их магнитная ловушка имеет форму пустого бублика. Бублика с двойными стенками. Первые, видимые, отделяют внутреннюю полость от внешнего воздуха. Там будет создана и нагрета плазма. Вторые — невидимые, образованы магнитными полями. Они отделяют плазму от стенок бублика, чтобы частицы раскалённой плазмы не соприкасались с ними, не охлаждались ими и не нагревали их.

Прибор, вернее, сложная и крупная установка, реали зующая эту идею, получил название токамак. Его основа — тороидальная камера, расположенная внутри тороидального магнитного поля, — позволяет нагревать плазму до гигантских температур и удерживать её некоторое время в этом состоянии. Советские учёные показали, что это один из надёжных путей к цели, получив температуру внутри токамака в 10–15 миллионов градусов. За ними пошли учёные всех промышленно развитых стран. Недавно американские ученые, применив дополнительный нагрев, достигли в своем Токамаке температуры в 60 миллионов градусов.

Это — надёжный путь покорения энергии ядра. Однако пока никто не прошёл его до конца. Никто не добился вожделенной цели — не зажёг рукотворное солнце.

Главная причина в том, что при помощи электрического разряда невозможно осуществить достаточно быстрый нагрев. Когда температура плазмы доходит до десятков миллионов градусов, ни одна, даже самая мощная, ловушка не способна удержать плазму от расширения.

Ещё не были запущены даже первые модели Токамаков, а экономисты уже провели расчёт на эффективность. Они сравнили, сколько энергии на единицу веса топлива выделится при термоядерном способе и расщеплении тяжёлых ядер урана или плутония в обычных атомных энергетических установках. Расчёт показал, что термоядерные электростанции будут выгоднее атомных, выгоднее даже самых выгодных на сегодняшний день. Был сделан и другой подсчёт, так сказать на «чистоту» процесса. И в этом плане термоядерный синтез оказался самым прогрессивным и гигиеничным. Он не даёт тех побочных отходов, которые всё-таки получаются при атомных расщеплениях (имеются в виду радиоактивный цезий, стронций и другие радиоактивные продукты, эти неизбежные спутники деления тяжёлых ядер). При термояде нет и угрозы ЧП: установка не расплавится, не взорвётся. Если процесс выйдет из-под контроля, пойдёт не по программе, то он просто заглохнет, прекратится.

Сама природа — главный пропагандист идеи термояда. Запасы тяжёлого водорода, дейтерия — этого основного термоядерного топлива — неисчерпаемы. Одного лишь дейтерия из морей достаточно для практических нужд на миллионы лет вперёд. А ведь водород содержится в воде повсюду!

Вот почему никакие трудности с магнитными ловушками не могли уже заставить физиков отказаться от намерения найти способ зажечь рукотворную звезду.

И вот — новая идея: изящная, гениально простая и на первый взгляд легко осуществимая!

В вакуумную камеру выстреливается льдинка замороженного водорода (вернее, смеси тяжёлого водорода — дейтерия и сверхтяжёлого водорода — трития). Вспышка лазера встречает льдинку в центре камеры. Мощность лазерного луча столь велика, что льдинка, температура которой первоначально близка к абсолютному нулю, мгновенно превращается в крупинку солнца. Температура её приближается к бушующей в недрах звезды, а плотность всё ещё очень высока. Ведь за мгновение, пока длится вспышка, частицы, уже набрав колоссальную скорость, ещё не успели заметно сместиться в пространстве, а давление лучей лазера вызывает в раскалённой плазме ударную волну, сжимающую плазму в сверхплотный сгусток.

В этой адской температуре порваны все связи между ядрами и электронами. Атомов дейтерия и трития уже нет. Пылает плазма из ядер и свободных электронов. Сталкиваясь между собой, дейтоны и ядра трития вступают в реакцию, в результате которой возникают ядра гелия. Температура при этом ещё больше нарастает. Сопутствующие реакции порождают свободные нейтроны. Еще несколько мгновений — и рукотворная звёздочка погаснет. Плазма, быстро остывая, разлетится по вакуумной камере…

Это — биография одной льдинки. Но если в камеру впускать череду льдинок, скажем, по 2–3 в секунду, то зажжётся гирлянда пылающих «солнц». А дальше? Дальше тепло от нагретых стенок камеры можно утилизировать самым обычным, элементарным путём. Скажем, отводить его для получения горячего пара. Пар направлять на турбины тепловой электростанции. Или использовать для других нужд.

Вот какая перспектива волновала воображение физиков, увлекшихся идеей использовать лазер для получения термоядерной энергии. Возможно, именно так человечество овладеет термоядерной энергией, сохранив уголь и нефть, торф и древесину от уничтожения в топках?

Идея лазерного зажигания термоядерной плазмы воскрешала надежды, она убивала сразу несколько «зайцев», решала вопрос о получении высокой температуры, а главное — проблема длительного удержания термоядерной плазмы оказывалась обойдённой.

Вот почему лазерный термояд кажется привлекательным. Он свёл между собой людей различных характеров, темпераментов, научных склонностей. Для нас же, советских людей, особенно приятным было то, что родина его — Советский Союз. Вот что об этом пишет журнал «Форчун» («Судьба»), выходящий в Нью-Йорке: «Лидерами в области лазерного термоядерного синтеза стали советские ученые. Сама “гонка” за овладение лазерным термоядом началась в 1963 году — после того, как исследователи из Физического института имени Лебедева в Москве, работающие под руководством Николая Басова, сообщили об успешном использовании лазера для получения определённого количества нейтронов, что свидетельствовало о достижении, хотя и в слабой, “мимолётной” форме, реакции ядерного синтеза».

Крюков, молодой учёный, физик «божьей милостью», как говорят о нём друзья, создал первую установку и, сфокусировав мощный лазерный импульс, получил первые термоядерные нейтроны, те самые вестники успеха, о ко торых пишет журнал «Форчун». «И хотя, — продолжает журнал, — известие из Физического института было встречено на Западе с достаточной долей скептицизма», Крюков именно в этих первых нейтронах видит залог всех дальнейших успехов.

— Первые нейтроны, — говорит он, — имели огромное психологическое значение. Они не просто иллюстрировали наш успех. Лазерный термояд занял своё законное место в физике плазмы среди других способов реализации термоядерного синтеза. Ведь до того мало кто в него верил.

Крюков оказался прав. «Вскоре западные учёные убедились в успехе их советских коллег, сумев воспроизвести этот опыт в своих лабораториях. В лабораториях Комиссии по атомной энергии США начались регулярные исследования проблемы лазерного термояда. Этот метод достижения ядерного синтеза примерно в то же время стал темой исследований во Франции, ФРГ, Англии, а затем в Японии» («Форчун»).

Пройдут десятилетия, и человечество будет вспоминать о сегодняшних экспериментах с гордой снисходительностью, как о первых шагах к великому свершению.

Физики, работающие над проблемой лазерного термояда, отлично понимают, что до полной победы ещё далеко. Полезной термоядерную реакцию можно будет считать тогда, когда выделенная энергия превысит затраченную на её создание. Пока полученная реакция энергетически убыточна. Сейчас идёт накопление знаний, а не энергии. Долгая, кропотливая, изнурительная работа. Оттачивается методика эксперимента, совершенствуются установки, набирается статистика, изучается сама плазма, разрабатывается аппаратура для её диагностики. Эта работа — на десяток лет. Но без неё плазма покорена не будет. Эта работа приносит те сведения о процессе, которым нужно научиться управлять. Она определяет весь дальнейший ход исследований: подсказывает, какие механизмы нужно усмирить в плазме, какие лазеры создавать, чтобы их мощь стала достаточной для обжатия и нагрева ядерного топлива.