Тим Скоренко - Изобретено в СССР

Так появились токамаки.

О том, что эксперименты с высокотемпературной плазмой на существующем оборудовании проводить не получится, знали ещё в 1940-е годы, об этом писали многие исследователи, в том числе Энрико Ферми. Примерно тогда же родилась и концепция, позволяющая удерживать плазму. Поскольку последняя является облаком ионизированного газа, её можно контролировать, поместив в магнитное поле: электроны и ионы станут двигаться вокруг магнитных силовых линий, не выходя за пределы заданной области. В чистой теории такое магнитное поле можно было создать с помощью соленоида – цилиндрической проволочной обмотки, но на практике эта схема не работала, поскольку требовалась замкнутая тороидальная конструкция, в которой плазма могла бы циркулировать по кругу в течение неограниченного времени.

Ферми обозначил проблему такой системы. В тороидальной структуре возникала опасность «расслоения» плазмы: магнитное поле у внутренней стороны тора сильнее магнитного поля с внешней стороны, что приводит к неустойчивости и выбросу плазмы на внешнюю стенку тора. Это, естественно, стало бы катастрофой. Очевидного решения не было.

В 1947 году в Аргентину эмигрировал немецкий ядерный физик Рональд Рихтер. Руководствуясь отчасти знаниями, полученными во время работы в Германии, отчасти желанием заработать, Рихтер пообещал президенту Аргентины генералу Хуану Перону разработать и построить термоядерную электростанцию, которая позволит получать практически бесплатную энергию в неограниченных количествах. Перон, слепо веривший во все немецкие технологии, дал Рихтеру карт-бланш и пообещал любые необходимые средства. Проект получил название Proyecto Huemul [5] Huemul – это южноандский олень. , и в 1951-м Рихтер торжественно объявил, что добился управляемой термоядерной реакции в лабораторных условиях. Перону он лично продемонстрировал «реакцию», которая на самом деле была горением водорода на электрической дуге. Но 24 марта 1951-го Перон публично объявил об успехе, и новость о достижении аргентинской ядерной физики облетела все газеты мира.

В Аргентине всё закончилось печально: проект закрыли, Рихтера арестовали за мошенничество, после чего он был выслан из страны, а Перон в 1955 году лишился власти в ходе военного переворота. Но первоначальное заявление об аргентинском успехе взбудоражило многих учёных, и в частности американского астрофизика Лаймана Спитцера. Хотя Спитцер специализировался на теории, причём его больше интересовали звёзды, а не лабораторные эксперименты, идея его захватила. Он много писал о космической плазме и теперь задался идеей придумать систему её удержания в земных условиях. Блестящим образом он модифицировал раскритикованный Ферми тор, превратив его в стелларатор.

Если вы посмотрите на фотографии стелларатора, вы увидите, что больше всего он похож на бессистемно смятый бублик. Как будто тор попал в руки великана, который его погрыз, потёр, погнул – и выбросил. На самом деле в измятости стелларатора есть чёткая схема: магнитные силовые линии внутри него многократно перекручены и в первом приближении напоминают ленту Мёбиуса (хотя и не являются ею). Благодаря этому частицы плазмы на разных отрезках то удаляются от оси установки, то возвращаются к ней, и тем самым поддерживается устойчивость системы.

Соответственно, само магнитное поле в стеллараторе создаётся только внешними катушками сложной формы, что позволяет использовать его непрерывно в течение любого промежутка времени, в отличие от токамака – об этом мы ещё поговорим. Важный момент: существует немало конфигураций стеллараторов, потому что перекрутить траекторию движения плазмы, чтобы сделать её устойчивой, можно множеством способов. Впоследствии собственные стеллараторы, в частности торсатрон, были запатентованы и в СССР.

На момент изобретения стелларатора Спитцер работал в Принстонском университете. В 1951 году при университете была образована лаборатория физики плазмы, которую и возглавил Спитцер. Финансирование Принстон получил от военных, поскольку в это же время активно шла работа над термоядерным оружием, а программу, по которой работал Спитцер, назвали проектом «Маттерхорн» в честь альпийской вершины – Спитцер был, помимо прочего, известным альпинистом.

В 1952–1953 годах в лаборатории построили первый в мире стелларатор, известный как Model A. Это была небольшая опытная модель из 5-сантиметровых трубок из термостойкого боросиликатного стекла, и она подтвердила правильность концепции. Потом появились модели B-1 и B-2, а позже и другие конструкции.

Но у стеллараторов имелись и недостатки. В частности, из-за сложной траектории плазма теряла много энергии, и её было значительно сложнее довести до требуемого температурного режима, не говоря уже об очень коротком времени удержания при тех же энергозатратах в сравнении с токамаком.

Давайте теперь узнаем, что такое токамак.

Перекрученный тор не мог быть единственным решением проблемы Ферми. И если в США пошли по пути Спитцера, то в СССР предложили совершенно другой способ магнитного удержания плазмы – как показала практика, более перспективный.

У токамака был свой «Спитцер», и его звали Олег Лаврентьев. В 1948 году он служил солдатом-срочником на Сахалине и занимался самообразованием. Читал книги, учебники, подписался на журнал «Успехи физических наук». Особенно увлекла его ядерная физика, и в 1950-м он написал две свои первые статьи, отправленные секретной почтой в Комитет тяжёлого машиностроения ЦК. Там письма переправили эксперту – Андрею Сахарову, и тот понял, что наткнулся на золотой самородок. Во второй статье Лаврентьев излагал оригинальную систему магнитного удержания плазмы, то есть токамака; сам того не зная, он нашёл решение проблемы Ферми.

Отслужив, Лаврентьев вернулся в Москву, поступил на физфак МГУ, удостоился личной встречи с Берией и получил доступ в Лабораторию измерительных приборов АН СССР, то есть в будущий Курчатовский институт, где вели свои исследования Сахаров и Тамм. Олег Лаврентьев сделал достаточно типовую для советского учёного научную карьеру, но тему токамака дальше развивали другие специалисты.

Надо сказать, что письмо Лаврентьева пришлось кстати: к 1950 году Сахаров уже работал над системами магнитного удержания плазмы и столкнулся с проблемой Ферми. Пришедшая с Сахалина статья подтвердила правильность его собственных идей и послужила катализатором. Уже в январе 1951 года по запросу Сахарова было выделено финансирование под лабораторию, аналогичную проекту «Маттерхорн», а в 1954-м появился первый экспериментальный токамак.