Владимир Орлов - Трактат о вдохновенье, рождающем великие изобретения

И. В. Курчатов рассказал о некоторых работах в области управляемых термоядерных реакций, которые ведутся в Академии наук СССР под руководством академика Льва Андреевича Арцимовича. Руководство в разработке теоретических вопросов принадлежит академику Михаилу Александровичу Леонтовичу.

Перед слушателями открылась картина того, как при помощи сверхмощных средств преодолеваются гигантские трудности. Но наиболее могучим орудием, сокрушающим все преграды, служит здесь неистощимая изобретательность человеческого мозга.

Термоядерные реакции потому и называют так, что происходят они при очень высоких температурах. При таких температурах материя, вещество, может существовать лишь как бы в «полуразобранном» состоянии, в ходе хаоса электронов и голых атомных ядер, с которых совлечены электронные оболочки. Из подобного материала построены солнце и звезды. Это состояние вещества называется плазмой, и его впервые пытался исследовать академик Василий Петров.

Температура — это мера скорости движения частиц в плазме. Для того, чтобы возникла термоядерная реакция, для того, чтобы ядра в плазме при столкновениях начали сливаться, нужно разогнать их до такой скорости, чтобы преодолеть могучие силы отталкивания между ядрами. Минимальный уровень температуры, необходимый для этой цели, в очень сильной степени зависит от вещества, с которым имеем дело. Легче всего возникает термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, являющимися химическими двойниками водорода. Дейтерий распространен в природе, он входит в состав тяжелой воды и добывается из простой воды. Тритий можно искусственно получить в атомных реакторах, бомбардируя нейтронами литий. Но и в этой, наиболее легко «воспламеняющейся» в ядерном смысле смеси, для того чтобы подобраться к порогу термоядерной реакции, необходимо поднять температуру до многих миллионов градусов.

Первоначальные затраты энергии, если сделать отвлеченный подсчет, могут быть невелики. Волосок электрической лампочки накаляется до тысячеградусной температуры при помощи маленькой батарейки. Для того чтобы нагреть один грамм дейтерия до температуры в миллион градусов, необходимо затратить всего лишь несколько киловатт-часов.

«Примерно столько же энергии требуется, — говорил, улыбаясь, Курчатов, — чтобы вскипятить воду в большом семейном самоваре».

А энергия, выделяющаяся при синтезе одного грамма гелия из дейтерия и трития, больше миллиона киловатт-часов, что примерно в пять раз больше энергии, выделяющейся при делении одного грамма урана-235 или плутония-239. Выходит, затратишь энергию на один самовар, а получишь энергию на целый город!

Повторяю, чтобы не быть неправильно понятым, что речь идет о самом отвлеченном подсчете. На современном уровне техники в устройстве для столь большого подъема температуры будут происходить громадные потери, что намного превысит удельный вес первоначальных затрат. Но и так игра, как говорится, стоит свеч. Какая это сложная игра!

Первая, далеко не главная, сложность в том, что уже при температуре в сто тысяч градусов в твердом или жидком дейтерии возникают давления, превышающие миллион атмосфер. Такой силы не выдержит ни одна оболочка. Поэтому в веществе с большой плотностью термоядерную реакцию можно возбудить только на миг, и процесс протечет в виде слабого и, быть может, неопасного взрыва. Но эту сложность можно сравнительно легко преодолеть, если опыты вести на газообразном дейтерии. Аппаратура, которая здесь понадобится, по прочности будет не более солидной, чем обычный паровой котел.

Главная сложность кажется непреодолимой. При нагревании дейтерия его частицы, разбегаясь во все стороны, отдают тепловую энергию стенкам сосуда. Уже при температуре в несколько десятков тысяч градусов расточительная деятельность частиц достигает такой степени, что объем дейтерия, заключенного в сосуде, в энергетическом отношении превращается в бездонную бочку. Даже мощные потоки тепла, притекающие сюда, мгновенно растрачиваются. Потери энергии становятся настолько большими, что дальнейшее повышение температуры становится практически невозможным. Нужна теплоизоляция. Но где найти теплоизоляцию, способную выдержать температуру в миллионы градусов? Ни один материал в мире тут не устоит.

Несмотря на кажущуюся безнадежность проблемы, она все-таки была решена. На какое-то короткое время теплоизоляция была создана… «из ничего». Был придуман такой опыт, который позволил удержать частицы в плазме и лишил их возможности передавать тепло стенкам.

Молодому физику Андрею Дмитриевичу Сахарову, ныне академику, было всего двадцать девять лет, когда он совместно с академиком Игорем Евгеньевичем Таммом в 1950 году предложил использовать для теплоизоляции плазмы магнитное поле. Дело в том, что магнитное поле решительным образом меняет характер движения электронов и ядер в плазме. Они перестают метаться по прямолинейным путям и начинают двигаться по малым спиралям. В беседе со мной академик И. В. Курчатов сравнил положение частиц в плазме с положением путника, не могущего выбраться из лабиринта. Еще более яркий образ применен им в его популярной статье: частицы оказываются плененными в плазме, как белка в колесе. Потеряв свободу, частица в присутствии магнитного поля уже не в состоянии унести энергию из плазмы. Советские ученые показали, что магнитное поле играет роль незримой стены, ограничивающей плазму и создающей тепловую изоляцию.

Разреженный газ и тем более плазма электропроводны. Пропуская через газ электрический ток, создавая газовые разряды, можно сделать сразу два дела: разогреть плазму до высокой температуры и образовать вокруг теплоизолирующее магнитное поле. При достаточной силе тока здесь могут возникнуть термоядерные реакции.

В лаборатории, напоминающей мастерскую Зевса-громовержца, началось исследование кратковременных, но зато весьма мощных электрических зарядов в газах. У прямых разрядных трубок, попеременно наполняемых разреженным водородом, дейтерием и другими газами и их смесями, собрался отряд разнообразных измерительных приборов, появление которых было подготовлено всем предшествующим развитием электроники и оптики. Пьезоэлементы приготовились измерять давления, а спектрографы — интенсивность отдельных спектральных линий. Миниатюрные катушки и иголочки пробрались даже внутрь разрядной трубки, чтобы зондировать магнитное и электрическое поля. Провода от всех приборов шли к осциллографам — этим «электронным стенографистам» науки, записывающим ход процессов со скоростью в несколько десятков километров в секунду. Здесь присутствуют фотоаппараты с моментальными затворами электровзрывного действия и киноаппараты для сверхскоростной съемки с быстротой в два миллиона кадров в секунду. Если бы им действительно пришлось поработать на протяжении целой секунды, то кинофильм, снятый ими, надо было бы просматривать в обычном кинотеатре по нескольку сеансов в день почти целую неделю. У разрядных трубок расположился многоглазый Аргус современной науки, приготовившись бдительно наблюдать процессы, протекающие за миллионные доли секунды. Он как бы обладал волшебным свойством, описанным Гербертом Уэллсом в рассказе «Новейший ускоритель», — способностью замедлять бег времени и останавливать мгновение.