Термоядерные реакции потому и называются так, что происходят при очень высоких температурах. При таких температурах материя, вещество, образует первозданный хаос из мятущихся электронов и голых атомных ядер, с которых совлечены электронные оболочки. Из подобного материала построены солнце, звезды, туманности. Это состояние вещества называется плазмой.
Плазма очень подвижна и живет своей сложной, прихотливой жизнью. Электрические заряды привносят в ее движение свои склонности и антипатии, а течения, вихри и струи плазмы, обладают капризными свойствами намагниченных током проводников.
Поведением плазмы занимается теоретическая наука — магнитогидродинамика, младшая сестра аэрогидродинамики. Специалисты по магнитогидродинамике гордятся своей сложной наукой. Она шире объемлет мир, чем ее старшая сестра. Аэрогидродинамике подчиняются лишь нижняя часть атмосферы и четыре океана земного шара, а магнитогидродинамике— вся остальная Вселенная. Магнитогидродинамика это и есть тот теоретический мост, который объединяет Крабовидную туманность, затерянную в безднах неба, и прообраз термоядерного реактора на лабораторном стенде. Уравнения ее описывают анатомию мощного электрического разряда и кипение пламенного океана на поверхности солнца, «огненные валы» которого воспел еще Ломоносов. Она вооружает инженерную мысль возможностями небывалого величия и красоты. На протяжении многих тысячелетий истории материальной культуры люди строили свои орудия из организованной материи — камня, бронзы, железа, стекла. А теперь они могут создавать их и из первозданной материи — звездного хаоса, и человечество с надеждой взирает на этот гордый акт творения.
Магнитогидродинамика тренирует такую систему мышления, которая помогает искателям термоядерных реакторов преодолевать почти непостижимые трудности. Вот лишь одна из них.
Для того чтобы «второй огонь», принесенный современным Прометеем с небес на землю, смог охватить плазму, для того чтобы плазма загорелась негаснущим ядерным пламенем, необходимо достичь температуры в 50 миллионов градусов. (Заметим, что это минимальная цифра для смеси дейтерия с тритием, для чистого же дейтерия необходимы сотни миллионов градусов). Только при этих температурах ядра тяжелого водорода начнут метаться с такой бешеной скоростью, что смогут преодолеть могучие электрические силы взаимного отталкивания и будут во множестве сливаться в ядра гелия.
Перед создателями термоядерных реакторов возникает задача — построить топку, в которой могли бы протекать процессы при столь высокой температуре.
Как обезопасить стенки сосуда от жара плазмы? Но это не единственная забота. Оказывается, в довершение всего, стенки представляют для плазмы еще большую опасность, чем плазма для стенок. Вспомните, что вещество в сосуде очень разрежено. При таком разрежении даже при сверхвысоких температурах в плазме накапливается ничтожное количество тепла, немногим больше, чем нужно для того, чтобы вскипятить чашку чая. Если плазма чуть коснется стенок, она тут же охладится. Подсчитано, что достаточно одной булавочной головке металла испариться из стенки сосуда, чтобы охладить, загрязнить, «отравить» несколько железнодорожных цистерн плазмы. Мы уже знаем, что можно изолировать плазму от стенок. Магнитогидродинамика теоретически допускает, что с помощью электрических токов и магнитных полей можно в принципе построить из плазмы такое образование, которое повисло бы в центре сосуда хотя бы на некоторое время и за этот срок не касалось бы стенок. Роль термоизоляции в плазме могут играть незримые стены магнитного поля.
Если создать сильное магнитное поле, то оно способно удержать под высоким давлением плазму, как стальной баллон сдерживает сжатый газ. Поле, в десятки тысяч раз превышающее силы магнитного поля земли, ориентирующие компасную стрелку, способно противостоять давлению плазмы в сотни атмосфер.
Опыты по термоизоляции плазмы в импульсном электрическом разряде, производившиеся совсем недавно в обстановке секретности и лишь немногими людьми на земле, теперь может видеть каждый посетитель выставки.
Рассматривая множество макетов и действующих экспериментальных установок в советском, американском, английском разделах выставки, посетитель видит, как люди постепенно учатся повелевать плазмой. Посетитель старается вникнуть в сложные схемы устройств, позволяющих создавать всевозможные незримые магнитные трубки, «бутылки», резервуары в форме спасательных поясов. В них возникают на какой-то миг в большей или меньшей степени изолированные от стенок сгустки и кольца плазмы. Посетитель подолгу стоит у электрической пушки, стреляющей комочками плазмы, подгоняемыми электрической волной, и с удовлетворением наблюдает отклонение массивного маятника, отмечающего меткие попадания. Здесь демонстрируется действие на плазму электромагнитных волн, тех самых волн, которые развевают шлейфы комет в межпланетных просторах. Магнитные пробки — сгущения магнитных полей—ограничивают движение плазмы, и они же, став подвижными, теснят ее, подобно поршням дизеля, сжимающим горячую смесь. В свою очередь плазма расширяет, двигает незримые магнитные поршни и наталкивает их на неподвижные электрические проводники. В проводниках возникает ток по законам индукции, знакомым каждому школьнику. Другие приборы раскручивают плазму, как маховик, регистрируют импульсы тока при ее торможении. Так готовится чудо прямого превращения термоядерных реакций в электрический ток. Разнообразны способы нагрева плазмы до высоких температур. Здесь и мощные импульсные электрические разряды, и высокочастотное магнитное поле, и «магнитные насосы», о которых упоминалось выше.
Любопытно, что вокруг предтечей термоядерных реакторов собрались измерительные приборы, позаимствованные главным образом из арсенала астрофизики. Инструменты, позволившие человечеству заглянуть в пылающие бездны, переделываются теперь для изучения земных лабораторных объектов. Это оптические спектроскопы и специальные радиоприемники, улавливающие в плазме радиошум, подобные тем радиотелескопам, которые подслушивают радиоголоса космических туманностей.
И тот, кто осматривает эту выставку, с удовлетворением и гордостью замечает, как быстро растет свобода обращения человека со звездным веществом, с таинственной плазмой. Пройдет немного лет, и не будет казаться поэтической гиперболой стихотворение Маяковского о человеке, пригласившем на чашку чая солнце.
Три новейшие установки для исследований возможности управления термоядерными реакциями составляют центральные экспонаты выставки. Это английская «Зета», о которой подробно писала наша печать, это американский «Стелларатор» и модель советской «Огры». В «Стеллараторе», спроектированном американцем Спицером, плазменный шнур принимает форму как бы скрученного жгутом магнитного поля «Стелларатора», предназначенного для устойчивой термоизоляции плазмы. Установка снабжена своеобразным «магнитным насосом» для дополнительного подогрева плазмы и магнитным очистителем плазмы от загрязнения.
В Институте атомной энергии мы увидели магнитную ловушку «Огра» в натуре. Она поражает своими огромными размерами и по масштабам сравнима лишь с гигантскими цилиндрическими печами для обжига цемента. Незримый сосуд для плазмы, заключенный в ней, имеет вид обширного туннеля, закупоренного по концам магнитными пробками, представляющими собой уплотнения магнитного поля. Магнитные пробки называют образно магнитными зеркалами. Плазма в «Огре» помещается, как свеча между двух зеркал в знаменитой сцене гадания Светланы. Частицы вводятся в сосуд из специального ускорителя по точнейшим образом рассчитанным траекториям. Здесь они испытывают многократные отражения от магнитных зеркал и распадаются, чтобы превратиться в высокотемпературную плазму.
Шведский профессор Альфен восхищенно сказал, что создатели ее вдохновлялись, возможно, процессами, происходящими в Крабовидной туманности, или поэтической идеей северного сияния, которое вызывается в ионосфере прилетевшими из космоса быстрыми частицами, плененными магнитным полем Земли. Ионы дейтерия и трития, рожденные в мощном ионном источнике и ускоренные электрическими полями, впрыскиваются в обширную камеру «Огры» и полоняются здесь магнитным полем. Плазма термоизолируется здесь в незримом цилиндрическом магнитном сосуде, закупоренном по концам двумя магнитными пробками. В установке не производится постепенного нагрева холодного газа. В нее сразу впрыскиваются «горячие» частицы, ускоренные до необходимых скоростей электрическим полем, и вступают здесь в конце концов в хаотическое движение.
По простейшим примитивным расчетам, достаточно сильное магнитное поле способно образовывать незримую стенку необычайной прочности. Но из этой упрощенной картины вовсе не следует, что магнитный сосуд не дает утечек. В действительности плазма в магнитном поле может терять устойчивость. Плазма и магнитное поле могут постепенно перемешиваться, и в конце концов плазма истекает и охлаждается. Плазменный шнур сопротивляется плену, извивается, образует опасные перетяжки, выбрасывает коварные язычки и, кажется, делает все для того, чтобы коснуться стенок сосуда и каким-либо способом сбросить температуру. Поэтому нужны многочисленные упорные эксперименты, позволяющие досконально изучить капризы плазмы и найти такие конфигурации магнитных полей, при которых утечки из магнитных сосудов были бы минимальными.
Исследования на «Огре» ведутся последовательно, шаг за шагом. Пока подробно обследованы лишь простейшие конфигурации магнитных полей. Они, как и следовало ожидать, не обеспечивают достаточной устойчивости плазмы. Обнаружены новые, не известные ранее, крайне интересные свойства плазмы.
Сила «Огры» заключается, в частности, в том, что ее соленоиды секционированы и позволяют экспериментатору комбинировать магнитные поля различной формы, которые будут обследованы в последующих опытах.
Как и все атомные установки, «Огра» управляется дистанционно. Как всегда, с ошеломительно сложного пульта контролируются органы ускорителя- инжектора, траектория вспрыскиваемых частиц, работа насосов, откачивающих газ, конфигурация магнитных полей, действие высоковольтных установок, температурные режимы, давление и несметная рать измерительных приборов, наблюдающих за поведением плазмы.
Если магнитный сосуд изготовить в виде прямой трубы, возможны утечки плазмы через ее концы. Поэтому возникла идея перейти к трубе, вообще не имеющей концов. Так родилась схема тороидальных ловушек, где сосуд для плазмы выполняется в виде замкнутой полой баранки. Эта полая баранка из нержавеющей стали, гофрированная, как дирижабль Циолковского, охватывает железное ярмо трансформатора и служит в нем как бы вторичной обмоткой. Электрический ток, протекая через газ, заполняющий баранку, разогревает плазму и собственным магнитным полем стягивает ее в кольцо. К тороидальным камерам относятся новейшие машины под условным названием «Токамак». Они интересны тем, что на баранке имеется еще одна дополнительная обмотка, создающая в плазме продольное магнитное поле. Магнитные силовые линии армируют плазму, как стальные прутья бетон, придерживая плазменное кольцо.
Поиски наилучшей конфигурации магнитных ловушек продолжаются. Какие это захватывающие поиски! Ведь история физики показывает, что порой незначительные изменения формы вызывают появление почти волшебных свойств. Люди пускали воздушные змеи и не знали, что стоит лишь искривить их плоскость, чтобы получился профиль крыла, обладающего могучей подъемной силой. Форма — содержательна! Не удивительно, если гениально найденная конфигурация магнитного поля далеко продвинет вперед проблему управляемых термоядерных реакций.
Недавно стало известно о самом крупном достижении в этой области за последние годы.
В ловушке со сложным комбинированным магнитным полем советским ученым удалось удержать высокотемпературную плазму в течение одной десятой секунды.
Работу с плазмой справедливо называют «экспериментальной астрофизикой». Но земные условия опытов, к сожалению, отличаются от условий космических. Лишь одно из отличий заключается в том, что в космосе существует почти абсолютная пустота, глубокий космический вакуум. В земных условиях
