Александр Проценко - Энергия будущего
Вернувшись тогда из Англии, И. Курчатов занялся налаживанием международных научно-технических связей. Были полностью рассекречены работы по термоядерному синтезу в возглавляемой им лаборатории № 2, которая с того времени получила современное название — Институт атомной энергии. Но ученые США и Англии отреагировали не сразу.
В том же 1956 году в американском городке Гетлинберге собрались на конференцию американские исследователи термоядерного синтеза. Перед участниками конференции лежал размноженный перевод доклада И. Курчатова в Харуэлле: «Термоядерные исследования в СССР». Нужно было дать ответ на эту инициативу.
Среди многих обсуждавшихся вопросов был и такой: продолжать ли хранить свои исследования в секрете или опубликовать результаты работ, как это сделали русские?
Обсуждение было достаточно горячим. Несмотря на разумные доводы сторонников широкого международного сотрудничества, большинство склонилось к тому, чтобы не отвечать на обращение советских ученых, сделать вид, что доклад И. Курчатова не был замечен. Все же в конце концов инициатива СССР заставила ученых многих стран принять активное участие в исследованиях в области, которой был посвящен знаменитый доклад.
Начались работы во Франции. Более энергично стали проводиться исследования в Англии. В печати о них стала появляться информация. В 1957 году на конференции, состоявшейся в Венеции, о своих экспериментах доложили ученые США, Франции, Англии и ФРГ.
В начале 1958 года появилась статья английских ученых о результатах работ на установке ЗЭТА, а в сентябре в Женеве состоялась вторая международная конференция по мирному использованию атомной энергии.
Наряду с результатами работ по ядерным реакторам деления на ней было представлено много работ по термоядерным исследованиям.
Оживленная дискуссия происходила на нескольких языках, и впервые эта тема стала приобретать истинно международный характер. В последующем были опубликованы многие статьи и сообщения, а также обнародованы сведения по стеллараторам, ловушкам с магнитными зеркалами, устройствам с молекулярными пучками ионов, тороидальным камерам и другим различным установкам.
Я намеренно привел здесь несколько не очень понятных наименований исследований и устройств, чтобы можно было почувствовать атмосферу новых понятий и различных направлений развития, возникшую в результате шагов, предпринятых советскими учеными.
Хотя наметившийся широкий размах исследований радовал ученых, занимавшихся термоядерным синтезом, однако настораживал излишек всевозможных направлений. На каком из них следует сосредоточить внимание? Какое даст нужный результат, а не заведет в тупик?
Шорох орехов
Перед физиками-теоретиками и экспериментаторами стоял, казалось бы, бесконечный набор серьезных научных проблем и более простых, но также требующих экспериментального исследования. Как удержать плазму в термоядерной установке? Каким образом ее нагреть? Откуда брать тритий, необходимый для проведения реакции? Какие материалы наиболее пригодны для установок? Наконец, совсем будто бы простой вопрос: как измерить температуру плазмы?
Можно было утонуть в этом море проблем. За что взяться в первую очередь? И как взяться?
Поучительна история, происшедшая в те годы в Институте атомной энергии. И. Курчатов поручил коллективу одного из отделов составить развернутый план работ. После многодневных бурных дебатов молодые исследователи принесли результат своих трудов в «хижину лесника» — домик на территории института, где жил И. Курчатов. Это был лист ватмана, расчерченный на клетки с записанными в них десятками задач. Не забыли и последовательность их решения.
«Игорь Васильевич посмотрел на клетки, — пишет в своих воспоминаниях его соратник И. Головин, — весело взглянул на присмиревшую взволнованную молодежь, посвистел…
— Шорох орехов, шорох орехов, — сказал он нараспев, — а не план! Знаете, что такое шорох орехов? Нет?
Молодой грузин торгует орехами на базаре и продает их за ту же цену, что платил при покупке. „Зачем так делаешь, что ты от этого имеешь?“ спрашивают его. „Люблю шорох орехов“, — отвечает незадачливый бизнесмен. Так и вы. Десятки задач, видимость большой работы. А где цель? Где этапы пути к горячей плотной плазме?
— Что вы, Игорь Васильевич, все это нужно, здесь нет ничего лишнего.
— В том и беда этого плана, что в нем все есть.
А в любом деле, как и в жизни, надо выбирать только самое главное. Иначе второстепенное, хотя и нужное, отнимет все силы и не даст дойти до главного. Какой сейчас самый важный этап?.. Вы считаете, что это решение проблемы устойчивости плазмы. Так и исследуйте ее! И не вообще, а в тех условиях, которые, как вы предполагаете, необходимы для достижения цели… Идите, подумайте еще над планом. Встретимся завтра, и я посмотрю, поняли ли вы, что такое шорох орехов».
Удержание плазмы было самым главным. Этому мешала ее неустойчивость, почему и большинство предложений, рожденных в те далекие годы, было направлено на решение этой основной проблемы. Поясним, что это такое.
Чтобы в плазме, разогретой посредством электрического тока, поддерживалась температура, необходимая для протекания термоядерной реакции, нужно исключить ее растекание и контакты со стенками камеры. Пытаться нагреть плазму, соприкасающуюся с ними, все равно что стараться вскипятить воду в сосуде из льда.
Одной идеи сжатия плазмы в шнур магнитным полем, возникающим при течении тока, как это делалось в первых опытах, оказалась недостаточно. Плазма утекала через торцы такого устройства, а неустойчивости приводили к тому, что плазменный шнур распадался. Что же такое неустойчивости и отчего они зависят?
Перетяжка плазменного шнура и сжимание его в нить в одном из мест — явление, с которым столкнулись физики-экспериментаторы, — это лишь один пример неустойчивости. Причиной его является неустойчивое равновесие плазмы. Обычно события развиваются так. Из-за случайного малого возмущения в плазме толщина шнура в каком-либо месте становится чуть-чуть меньше. Сразу же в этом месте кольцевые магнитные силовые линии, охватывающие шнур, сгущаются, сила их сжатия возрастает, шнур, снова несколько утончается, сила магнитного поля в этом месте снова возрастает и т. д. В конце концов шнур перетягивается полностью и плазма рвется на отдельные «сосиски» (эта неустойчивость иногда и именуется «сосисочной»), отбрасывается к стенкам и гаснет. Как же упрочнить плазменный шнур и продлить жизнь плазмы?
Теоретики предложили ввести внутрь плазмы продольное магнитное поле. По их замыслу, оно создаст жесткий каркас — стержень, противостоящий кольцевому магнитному полю, охватывающему плазму. В такой системе кольцевые магнитные линии, сжимающие плазменный шнур, встретят на своем пути не только собственно плазму, но и пружинящие продольные магнитные силовые линии, препятствующие перетяжкам.
Получить продольное магнитное поле просто. На камеру наматывают витки проводника и пропускают через него ток, который и создает магнитное поле вдоль плазменного шнура. Применение этого несложного способа резко повысило устойчивость плазмы. Оказалось, что осевое магнитное поле эффективно противостоит и другому виду неустойчивости — изгибу плазменного шнура. А ведь было так, что небольшой его изгиб увеличивался до тех пор, пока шнур не соприкасался со стенкой, что и служило причиной его уничтожения.
Предложенное продольное осевое поле изменило картину: действуя как стержень, вставленный в плазму, оно не допускает ее изгиба.
Мы привели только два примера неустойчивости плазмы и рассказали о некоторых способах повышения ее устойчивости. Неустойчивостей же много, очень много, и они сдаются, уступая настойчивости и изобретательности теоретиков и экспериментаторов.
К сожалению, управление термоядерной реакцией связано не только с устойчивостью плазменного шнура.
Заряженные частицы плазмы способны изменять свою траекторию и убегать из термоядерного реактора. Картина эта выглядит так. Заряженная частица плазмы, пытающаяся двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям, под действием поля изменяет свою траекторию на круговую. При достаточно сильном магнитном поле она начинает двигаться по спирали вдоль магнитной силовой линии. Но если поперек магнитных линий ей путь закрыт, то вдоль линии она может двигаться и через торцы объема покидать реактор. Как же удержать этих беглецов?
Для этого есть две возможности. Во-первых, можно буквально свернуть магнитные силовые линии и саму камеру в виде бублика, образовав тем самым тороидальную систему, у которой нет концов.
Второй путь — усиление на концах (торцах) камеры магнитного поля. Резкие всплески напряженности этого магнитного поля на торцах как магнитные пробки закроют концы камеры и не пустят или, если быть более точным, почти не выпустят беглецов. Эти магнитные пробки американские ученые назвали магнитными зеркалами.
