Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Сверхгорячая расширяющаяся материя представляла собой т. н. «кипящий котел», в котором протекали бурные реакции синтеза за счет значительных энергетических запасов простейших частиц — протонов, электронов, антипротонов и позитронов. Антипротоны и позитроны являются античастицами, т. е. частицами с обратным знаком. Антипротон — это отрицательный протон, а позитрон — положительный электрон.
Частицы и античастицы активно взаимодействовали друг с другом, самоуничтожаясь при этом. Их энергия переходила в фотоны, которые со временем заполнили всю Вселенную в виде холодного реликтового излучения. Но поскольку существовал небольшой избыток протонов и электронов перед античастицами, то нормальное вещество сохранилось и сложило облака космического газа. Постепенно, в процессе их уплотнения, в них образовались сгущения, ставшие звездами. В недрах звезд начался термоядерный синтез тяжелых элементов из водорода.
Современная астрофизика и смежные с ней направления астрономической науки являются по сути дела ядерной физикой, «увеличенной» до космических масштабов. Вселенная служит гигантским термоядерным реактором и одновременно лабораторией, где происходят различные превращения вещества и рождаются невероятные лучи. Благодаря астрономическим наблюдениям с применением детекторов ядерных излучений физики могут как находить подтверждение старым гипотезам, так и совершать новые открытия.
Удивительным кажется и другое. В самом начале главы приведены доказательства того, что внутри атома нет Вселенной, заполненной разумными обитателями. И действительно, космическое пространство внутри атомного ядра существовать не может. Однако атом, подобно мировому пространству, неисчерпаем. Углубляться в него можно бесконечно. В недрах атома царят физические законы, связанные с релятивистскими эффектами. Та же теория относительности описывает свойства пространства-времени Вселенной.
Изобретена технология управляемого синтеза
Ученые сразу же обратили внимание на перспективы применения термоядерного синтеза. Естественно, физики никогда не рассчитывали получить дешевое золото из меди или свинца. Но достаточно напомнить, что благодаря такому синтезу таблица Менделеева приобрела свыше 20 новых элементов, не встречающихся в природе. Их массивные ядра крайне нестабильны и существуют доли секунды. У многих из них еще нет названия. Перечень поименованных атомов заканчивается на 102-м элементе — нобелии. Устоявшимся и общепринятым можно считать название курчатовия (104). Предположительно, 105-й элемент сохранит за собой название нильсбория. Элементы с 106 по 110 остаются пока безымянными, да и их физико-химические свойства почти не изучены.
Однако и изучение новых элементов не является главным движущим стимулом для ученых. Цели подчинения реакций синтеза гораздо более прозаичны и вместе с тем гораздо более важны. Синтез может послужить основой промышленной энергетики. Звезды расходуют свои запасы топлива в течение десятков миллиардов лет, одно наше Солнце горит уже порядка 5 млрд лет.
Термоядерное топливо обладает огромным запасом энергии. Приближенные подсчеты показывают, что синтез ядер способен давать человеку в 10 млн раз больше энергии, чем сжигание химического горючего. Достаточно обеспечить реакцию всего 1 г ядерного топлива, чтобы заменить им Ют бензина.
Обычный термоядерный синтез был осуществлен неоднократно при испытании маломощных водородных бомб. Современное ядерное водородное оружие является самым действенным средством уничтожения всего живого. Водородная бомба начинает действовать от атомного запала, вырабатывающего достаточное количество теплоты, чтобы практически мгновенно нагреть до высочайших температур горючую смесь дейтерия и трития.
Реакция синтеза дейтрона и тритона приводит к высвобождению колоссальной энергии. Происходит термоядерный взрыв, который сразу же уничтожает все живое на огромной площади, многократно превосходящей площади самых больших городов планеты. Одной-единственной бомбы средней мощности вполне достаточно для полного превращения в руины таких гигантских мегаполисов, как Нью-Йорк или Токио.
Но человечеству требуется не разрушительная, а созидательная энергия, которая будет давать электрический ток в дома и на заводы, двигать сверхскоростные поезда и космические корабли. Взрыв водородной бомбы является неуправляемой термоядерной реакцией, точно так же как взрыв обычной атомной бомбы является неуправляемой реакцией атомного деления. Человеку же требуется управляемый синтез легких ядер.
Единственным препятствием для ученых на пути осуществления контролируемой реакции синтеза остается высокая температура «зажигания» горючего. В недрах звезд температура достигает 15 млн °С. Предполагается, что космические светила зажглись при температурах свыше 50 млн °С. Оптимальная же температура для проведения термоядерных процессов с точки зрения энергетики равна 100 млн °С. Именно до такой степени требуется нагреть смесь дейтерия и трития, чтобы с высокой эффективностью извлекать из начавшейся реакции тепловую энергию. Продуктами этой реакции являются ядра гелия и свободные нейтроны. Последними можно облучать литий для возобновления запасов трития. Что касается дейтерия, то его возобновлять необязательно, т. к. в природе он встречается в достаточном количестве (например, в морской воде на 6000 атомов обычного водорода приходится 1 атом дейтерия).
Однако управляемая реакция подразумевает не только высокие температуры, но и удержание раскаленного вещества и беспрепятственное получение полезной энергии. В противном случае окажется, что установка поглощает гораздо больше энергии, чем выделяет. Любое вещество при температурах в несколько миллионов градусов переходит в плазменное состояние. Удержать его от немедленного рассеяния можно в магнитных полях. При этом необходимо изолировать плазму от внешней среды во избежание теплообмена. Физики подсчитали, что если плазма с плотностью 1014 ядер на 1 см3 заметно остудится за 1 с, то полезную энергию получить не удастся.
Однако никакая теплоизоляция не поможет сохранять температуру плазмы приближенно постоянной. Плазма непременно прожжет изоляционное вещество и вырвется наружу. Наиболее активные частицы обязательно покинут магнитное поле. Скорость водорода внутри ионного газа плазмы при необходимой температуре равняется 1000 км/с. Следовательно, требуется удерживать плазму каким-то совершенно особым способом, создав для нее как бы магнитную ловушку. Впервые общая идея магнитной ловушки была сформулирована в конце 1940-х гг. отечественными физиками И. Е. Таммом, А. Д. Сахаровым и O. А. Лаврентьевым. Почти одновременно к сходным выводам пришел американский физик Л. Спитцер.
С 1950 г. начались активные работы по проектированию устройства, технически воплощавшего магнитную ловушку. Первоначальной моделью такого устройства был прямотрон.
Ему присвоили такое название потому, что он представлял собой прямую трубу (прямолинейную ловушку), в которой должны были разгоняться частицы. Конструкция прямотрона была несовершенной, т. к. длина такой трубы должна была равняться нескольким десяткам километров. Гораздо перспективнее оказался проект прямолинейной ловушки с магнитными «пробками» на концах. Они должны были отражать поток частиц плазмы, отбрасывая их в противоположную сторону. Длина «пробкотрона» составила бы менее 100 м.
После того как была отвергнута и конструкция «пробкотрона», физики разработали замкнутую ловушку со сведенными вместе концами. Получился ускоритель-тороид, в котором плазма могла бесконечно долго разгоняться, двигаясь по кругу. Проблема удержания быстрых частиц была решена на основе работ И. Е. Тамма по теории электромагнитного поля. Чтобы частицы не смещались в замкнутом тороидальном магнитном поле, необходимо завить его силовые линии в спираль. Для этого требуется пропустить друг через друга два тока. Первый будет создавать магнитные силовые линии в форме окружностей, тогда как второй потечет по новым силовым линиям. В результате оба тока будут генерировать общее магнитное поле с силовыми линиями, закрученными спирально. Частицы плазмы внутри тороида будут двигаться не только вдоль замкнутых линий тороидального поля, но и описывать вокруг них спираль.
В 1954 г. под руководством И. Е. Тамма была создана первая тороидальная электромагнитная ловушка для плазмы, получившая название «ТОКАМАК». Ее название представляет собой аббревиатуру, которая расшифровывается как «Тороидальная КАмера с МАгнитными Катушками». В названии подчеркнуто, что главным элементом конструкции являются катушки, создающие мощное, в несколько Тл (тесла), магнитное поле. За последующие годы ученым удалось построить еще несколько установок подобного типа, которые также были названы Токамаками.
