Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

Вы ведь помните, что солнечные реакции отлично удается воспроизводить и на ускорителях заряженных частиц. Так вот, во время стягивания плазменного шнура, видимо, возникают явления, подобные тем, которые совершаются в ускорителях. Внутри цилиндрического плазменного слоя в какой-то момент остается пустое пространство [8]. Там атомные ядра дейтерия ускоряются, сталкиваются с разгона и вступают в реакции синтеза, освобождая нейтроны. Но, как и в обычном ускорителе, подобные события очень редки, а главное, не учащаются с повышением температуры, не ведут к самоподдерживающемуся цепному процессу.

Одновременно с нейтронами плазма испускает при разряде рентгеновские лучи. Они могут возникнуть лишь при резком торможении быстролетящих электронов (таким способом обычно и получают рентгеновские лучи для практических целей). Но, оказывается, здесь энергия рентгеновских фотонов в десятки раз выше, чем это дозволяет разгон электронов во внешнем электрическом поле. Значит, каким-то способом ускоряются и эти частицы. А тормозясь при столкновениях, ускоренные электроны порождают рентгеновские фотоны больших энергий.

Как мы видим, во время сжатия плазменного шнура возникает не только тепловой хаос, не только разогрев вещества. Какая-то доля энергии расходуется на упорядоченное (и здесь — вредное, отнимающее энергию) ускорение заряженных частиц плазмы. Это тоже непредвиденное явление, но весьма существенное для дальнейших работ.

Весной 1956 года в английском научно-исследовательском атомном центре в Харуэлле академик И. В. Курчатов сделал обстоятельный доклад о трудах советских ученых, направленных на обуздание термоядерных реакций.

Перед английскими физиками, а затем и перед физиками всех стран раскрылся новый мир идей и фактов, представляющих огромную научную ценность. Весть о том, что русские ученые закончили серию труднейших экспериментов, которые в Харуэлле лишь планировались, поразила аудиторию. Но с еще большим удивлением и радостью приняли англичане полноту описания опытов — их методики, технического оснащения, результатов, теоретических предпосылок и выводов.

Газета «Дейли экспресс» писала тогда, что цифры и формулы, сообщенные докладчиком, «...считались бы совершенно секретными в Англии и Соединенных Штатах». Да, это так. И тем не менее несколько месяцев спустя в советском журнале «Атомная энергия» появились статьи, дополняющие доклад И. В. Курчатова и с предельной полнотой освещающие самые тонкие стороны проведенных работ.

Наша Родина подарила миру итоги первых шагов на пути к созданию человеком искусственного солнца, к сказочному обилию энергии.

Можно понять харуэллцев, устроивших овацию «бородатому русскому ученому», посланцу великой страны, приехавшему к ним с добрыми и полезными вестями.

Публикация итогов первых советских работ в области плазменного разряда сослужила немалую службу. Повсюду всколыхнулась творческая мысль физиков. Смягчился режим секретности. На страницах научной печати все чаще стали появляться отчеты об исследованиях в том же направлении. Сотни ученых стали думать о том, как бы сделать плазменный разряд устойчивее, долговечнее, горячее.

И опять в авангарде разведчиков искусственного солнца шли физики нашей страны.

В тонком, кропотливом труде текли будни лабораторий. Успехи часто сменялись неудачами, но шаг за шагом труднейшая задача решалась.

Дальше продвинулись и эксперименты, о которых мы рассказали в этой главе, — изучение разрядов в прямых трубках.

В сентябре 1958 года, на Второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии, советские исследователи подробно доложили об этих новых опытах.

Как еще выше поднять температуру плазменного разряда в прямой трубке?

Уж раз жизнь плазмы в таком разряднике коротка, надо усилить электрический удар по ней, сделать его более резким. Для этого требуется выше поднять напряжение, подводимое к трубке, и постараться, чтобы установка как бы меньше «пружинила», тормозила ток. На языке электротехники это значило — свести к минимуму индуктивность, мешающую быстрому развитию процесса.

Остроумные усовершенствования помогли сотрудникам Института атомной энергии значительно сократить индуктивность разрядных устройств и довести напряжение, подаваемое к трубке, более чем до 100 тысяч вольт. Нарастание силы тока в электрическом разрядном импульсе было резко ускорено, и в результате плазму удалось раскалить, по самым осторожным оценкам, до температуры свыше 3—4 миллионов градусов! То был новый рекорд лабораторного нагрева вещества.

Столь сильно разогретая плазма стала заметно излучать нейтроны. И теперь уже многие из них можно было считать вестниками затеплившегося огонька термоядерного синтеза.

Правда, нейтронов выделялось еще очень мало. Да и не все физики были согласны в их безусловной принадлежности «к благородной расе потомков термоядерных реакций», считая их «детищами темного ускорительного процесса» (слова академика Л. А. Арцимовича). Однако возникшие поначалу споры об источнике нейтронного излучения плазмы вскоре были признаны бесполезными. И без них задача оставалась ясной: выше и выше поднимать температуру плазмы. Когда при каждом импульсе станет выделяться больше триллиона нейтронов, никто не усомнится в факте начала термоядерного процесса.

Опыты с разрядами в прямых трубках, с которыми связан начальный период борьбы за искусственное солнце, принесли колоссальную пользу науке. Они будут разворачиваться и впредь, помогая улавливать тончайшие закономерности поведения сверхгорячей плазмы.

И все же в наши дни приходится признать, что такие разрядные устройства едва ли послужат прообразами мирных термоядерных реакторов будущего. Слишком уж грубо в них электрический ток обращается с плазмой: бьет ее молниеносным ударом исполинской силы. Подсчитано, что для эффективного освобождения термоядерной энергии такой удар должен иметь мощность взрыва 10 тонн тола! Еще более мощным стал бы ответный удар освободившейся в плазме энергии синтеза ядер. Ясно, справиться с подобными взрывами техника практически не сможет.

Значит, с плазмой надо обращаться осторожнее.

4. РАСКАЛЕННЫЙ ВИХРЬ

История обуздания реакций синтеза совсем не похожа на путь освоения процессов деления атомных ядер. Расщепление ядер урана сначала было осуществлено в простейшем реакторе, и лишь потом появилась атомная бомба. Синтез гелия, наоборот, начался на Земле чудовищным водородным взрывом. И только после этого усилия исследователей сосредоточились на поисках реактора для управляемого процесса ядерного синтеза.

Сначала в термоядерной бомбе на плазму научились обрушивать гигантский удар атомного взрыва. И она отвечала катастрофой водородного взрыва. Потом в лабораторных условиях в прямых разрядных трубках испробовали молниеносный электрический удар по плазме, влекущий за собой такое же быстрое ее магнитное сжатие и разогрев. Итоги этих опытов, как мы видели, тоже не слишком обнадежили разведчиков мирного термоядерного синтеза. И здесь плазма оказалась взрывоопасна.

Иное дело, если бы удалось «вежливо» разогреть ее. Тогда она столь же спокойно выделила бы энергию синтеза своих атомных ядер. Не мгновенный удар, а сравнительно медленный напор — вот к чему надо стремиться. Конечно, скорость подъема температуры должна все же быть достаточно большой, чтобы выполнялось знакомое нам уже условие обгона нагревом нарастающего излучения энергии раскаленной плазмой. Но в сильно разреженном виде плазма почти прозрачна и излучает сравнительно мало энергии. Такую плазму можно сжать и довести до гигантских температур сравнительно медленно, не нарушая равновесия между ее газовым давлением и внешним сжатием.

Осторожный, «вежливый» не приводящий ни к каким взрывам режим разогрева плазмы, как показали теоретические изыскания, возможен. Но прямые разрядные трубки для этого не годятся. Вся беда — в электродах, подводящих ток. В прямой трубке заряженные частицы, едва возникнув, мчатся к электродам и выбывают из игры. Потому-то там и коротка жизнь плазмы.

Есть еще одна помеха развитию высокой температуры при разряде в прямых трубках. Мы помним, что тепловую энергию там помогает сберечь «шуба» собственного магнитного поля. Однако эта шуба оставляет в ручье плазмы уязвимые места: ведь шнур огражден от холода лишь с боков. Хоть стенок трубки он не касается, но до электродов дотрагивается. И при медленных, «вежливых» разрядах контакт с холодными электродами грозит отсосать из плазмы значительную долю ее столь трудно добытого звездного жара. «Жаропонижающим» служат тяжелые атомы материала электродов.