— Конечно, освоение космического пространства очень важная задача. Но ядерная физика, наверное, еще не все возможное сделала на Земле?

— Вы правы. Еще не полностью решена главная для человечества проблема. Проблема обеспечения будущих поколений практически неисчерпаемыми источниками энергии. И медлить здесь нельзя.

— Вы имеете в виду энергетический кризис?

— Не столько энергетический, сколько экологический!

Современная цивилизация создала нам хорошие условия жизни, но, к сожалению, одновременно привила людям безответственное отношение к природе, последствия которого мы начинаем ощущать. Ядерная физика уже предложила экологически более чистый источник энергии, чем реакция химического окисления. Это поможет снизить скорость загрязнения биосферы Земли.

Раньше человечество получало энергию, не заботясь о том, как тот или иной способ ее добывания отражается на окружающей природе. Развивающийся капитализм требовал все больше и больше энергии и использовал для этого то сырье, что было под руками. А под руками были каменный уголь, нефть и газ.

То же самое ценное органическое сырье снабжает энергией и нас, поколение людей конца XX века. Только теперь во много раз возросло абсолютное количество потребляемой энергии, а следовательно, и темпы сжигания горючих материалов.

Поэт А. Блок писал в начале нашего века: «…мир зеленый и цветущий, а на лоне его — пузатые пауки — города, сосущие окружающую растительность, испускающие гул, чад и зловоние».

Острое чувство неблагополучия, которое владело поэтом, глубокая озабоченность отдельных ученых за будущее цивилизации говорили о том, что человечество глазами наиболее прозорливых не в один день, не вдруг увидело, что мало-помалу «природа превращается в окружающую среду».

Век XIX передал в наследство XX еще «цветущий и зеленый» мир. Что же оставит после себя век XX?

Современный поэт Л. Мартынов беспокоится уже о том,

и надеется, что будущее поколение

Научно-техническая революция, победно шествующая по развитым странам мира, привела в движение столь огромные производительные силы, что человек обрел ничем не ограниченную власть над природой. За короткий промежуток времени он превратился из «царя природы» в ее разрушителя и раба своих потребностей.

Добывание энергии во все больших масштабах — один из серьезнейших факторов, работающих против человека. Если в начале века речь могла идти только о возникновении локальных экологических (экология — наука о взаимодействии организма с окружающей средой) кризисов, то сегодня серьезные опасения внушают взаимоотношения человеческого общества с природой в целом (то есть возможность наступления глобального экологического кризиса).

При сжигании в топках тепловых электростанций угля, нефти или газа в атмосфере непрерывно увеличивается концентрация окиси углерода. Земля, получая свою долю световой энергии от Солнца, рассеивает в пространство некоторую ее часть в виде инфракрасного излучения. Загрязненная атмосфера гораздо хуже пропускает потоки инфракрасных фотонов. Она, как подушка, прикрывает нашу планету и способствует ее перегреву. Возникает так называемый парниковый, или оранжерейный, эффект.

Член-корреспондент АН СССР М. Будыко показал, это произойдет, если средняя температура на Земле повысится хотя бы на один градус или даже на полградуса. Столь небольшое, но повсеместное подрастание температуры может привести к уменьшению ее градиента между экваториальными и полярными областями. Это выравнивание сразу вызовет ослабление скорости циркуляции воздушных масс между экваториальными и полярными широтами. Резко снизится количество осадков в средних широтах и ускорится рост пустынь. И все эти изменения могут произойти за весьма короткий срок, равный длительности жизни одного поколения.

Конечно, это предположение, но оно достаточно обоснованно и вполне может осуществиться, если человечество не примет соответствующих мер.

Одна из них — широкое использование фундаментального открытия физиков: цепной реакции деления ядер урана.

Решительный шаг в этом направлении был сделал в Советской стране, где были разработаны основы мирной ядерной энергетики. Первая в мире атомная электростанция в Обнинске открыла новую эру в энерготехнике. Сейчас ядерная энергетика развивается такими темпами, что, по-видимому, к концу нашего века более 30 процентов всей добываемой в мире электроэнергии будут давать атомные электростанции. Надолго ли хватит ядерного горючего?

Этот вполне резонный вопрос давно волнует и ученых, непосредственно решающих проблемы ядерной энергетики, и тех, кто занимается фундаментальными исследованиями. Несмотря на большие запасы в природе делящихся элементов, в ядерных реакторах используется лишь незначительная их часть. Связано это с особенностью ядерной реакции деления изотопа урана-235. Только его ядра делятся нейтронами, которые получили название «тепловых», то есть замедленных до тепловых скоростей окружающих молекул.

Изотоп урана-238 для реакции деления требует нейтроны с энергией около одного миллиона электрон-вольт. В реакторе, где в качестве горючего применяется только уран-238, нейтроны, испускаемые делящимися ядрами, тормозятся в веществе до нескольких тысяч электрон-вольт и теряют способность вызвать реакцию деления других ядер урана-238, и цепная реакция глохнет очень быстро.

Итак, необходимого для ядерной энергетики изотопа урана-235 очень мало в природе, его едва хватит до начала следующего века, а урана-238, наоборот, сколько угодно, но он в реакторе не делится. Глубокое изучение свойств атомных ядер помогло найти несколько принципиальных решений проблемы ядерного горючего. Поглощая нейтроны, ядра урана-238 после нескольких радиоактивных распадов превращаются в ядро изотопа плутония-239, который обладает теми же делящимися свойствами, что и уран-235. Но где взять столько нейтронов, чтобы наработать необходимое количество ядерного топлива?

Прежде всего не стоит терять те нейтроны, что рождаются в реакторе при делении ядер урана-235. Уже созданы первые установки, так называемые реакторы на быстрых нейтронах, которые выполняют сразу две функции: вырабатывают энергию и превращают «негорючий» уран-238 в полноценное ядерное топливо. Благодаря особой конструкции этих реакторов та часть нейтронов, возникающих в момент деления ядер урана-235, которая не принимает участия в цепных реакциях, улавливается ураном-238.

Но проблема в целом еще не решена. Потребуется немало усилий ученых и конструкторов, чтобы скорость выработки ядерного горючего соответствовала бы скорости развития энергетики.

Со своей стороны физики, занятые исследованиями фундаментальных свойств атомных ядер, предлагают новые способы получения «горючих» ядерных материалов. Один из них — электроядерный. Он предполагает соединение ускорителя протонов с ядерным реактором в единую систему. В ней уран-238 превращается в плутоний-239, который при делении в реакторе и отдает энергию.

В последнее время ученые рассматривают еще одну принципиальную возможность переделки урана-238 в изотоп, пригодный для ядерной энергетики, с помощью… ускорителя нейтронов.

Способа ускорения нейтральных частиц как будто не существует. Все современные синхрофазотроны, циклотроны, синхроциклотроны ускоряют заряженные, и только заряженные, частицы. И в самом маленьком и в самом большом из этих устройств частицы подхлестываются электрическим полем. А чем можно подтолкнуть нейтрон?

Идею ускорения нейтронов предложил в 1959 году советский ученый Ю. Петров. Конечно, эту гипотезу нельзя проверить ни на одном из известных типов ускорительных устройств. Дополнительные порции энергии нейтрон должен получать от… ядер, находящихся в возбужденном состоянии, то есть имеющих избыточную энергию.

Представим себе, что удалось создать особую среду, значительная доля ядер которой находится не в основном состоянии, а в изомерном. Эта среда напоминает рабочее тело гамма-лазера, насыщенное ядрами-изомерами (об этом мы говорили в предыдущей главе). Нейтрон, сталкиваясь с ядром, как бы спускает взведенный ядерный курок. Система связанных нуклонов переходит в основное состояние, а нейтрон забирает ее избыточную энергию.

В этом необычном ускорителе нейтроны, набирающие энергию при хаотических соударениях с возбужденными ядрами, напоминают пчел, суетящихся около цветов в поисках нектара. Далеко не каждый цветок оказывается со сладкой капелькой, и далеко не каждая встреча ядра с нейтроном приводит к возрастанию энергии нейтрона. Ядро может оказаться невозбужденным.

В этом случае нейтрон не только не увеличивает свою энергию, но может потерять накопленную раньше, если масса ядра ненамного превосходит его собственную массу. Изомерное ядро, сбрасывая избыток энергии при столкновении с нейтроном, испытывает отдачу. Более массивные изомерные ядра в нейтронном ускорителе предпочтительнее, поскольку они тратят на отдачу гораздо меньше энергии, чем легкие.

В ускорителе нейтронов не должно быть изомерных ядер, имеющих запасные уровни возбуждения при энергии, равной той, до которой желательно разогнать нейтроны. Иначе вместо ускорения нейтроны сами начнут «накачивать» ядра энергией, переводя их в возбужденные состояния.

Предварительные теоретические оценки показывают, что подходящая изомерная среда может стать ускорителем нейтронов до энергии в один или два миллиона электрон-вольт.

В установке, содержащей уран-238, перемешанный с изомерными ядрами, по-видимому, может возникнуть самоподдерживающаяся реакция деления.

В самом деле, возбужденные ядра, отдавая свою энергию нейтронам, поддерживали бы их в отличной «спортивной» форме, и они постоянно были бы в состоянии преодолеть высокий энергетический барьер деления ядер урана-238.

Ученые пока обсуждают только принципиальные вопросы, связанные с созданием подобного изомерного реактора. Но неожиданная радикальная идея может сразу продвинуть вперед решение этой проблемы. Не так давно группа советских ученых выдвинула предложение, как с помощью светового пучка лазера сжимать делящееся вещество, повышая его плотность в сотни раз. Естественно, что в случае успеха это сразу снизило бы необходимое критическое количество вещества, при котором возникает цепная ядерная реакция деления. Эта идея, возможно, приблизит момент проверки гипотезы об изомерном реакторе. Она поможет обойти главную трудность для его практической реализации — заготовку огромного количества изомерных ядер.

Когда будет создан реактор на сжатом делящемся веществе, можно будет проверить на опыте и принцип действия изомерного реактора, для которого необходимо будет создать всего лишь граммы изомерных ядер.

— А что будут делать люди потом, когда исчерпаются запасы тяжелых элементов?

— Имея это в виду, физики давно пытаются осуществить вторую возможность получения ядерной энергии, соединяя два легких ядра.

— «Опыт» Солнца нам здесь не поможет?

В общих чертах ученые знают, как работает солнечная «установка», вырабатывающая энергию, благодаря которой на Земле возникла жизнь и появился человек. Слияние ядер водорода — основная ядерная реакция, протекающая как в далеких звездах, так и в нашем Солнце. Эту звездную реакцию физики впервые воспроизвели в земных условиях еще в 1932 году, сразу после запуска первого ускорителя.

Искусственно ускоренные ядра изотопа водорода — дейтерия, — соударяясь с покоящимися дейтонами (ядрами дейтерия) мишени, превращались в ядра гелия с большим дефектом массы. Каждое такое событие непременно сопровождалось выделением энергии в точном соответствии с формулой А. Эйнштейна E = mc2.

Два ядра дейтерия могут сливаться друг с другом только в том случае, если обладают скоростью, достаточной для преодоления электростатического барьера. Тогда они с разгона «перемахивают» через этот заслон и накрепко сцепляются «буграми» ядерных сил.

Разогнать дейтоны в ускорителе до необходимой энергии и бросить их на мишень несложно. Но соединяются только те частицы, которые испытали лобовое соударение, что случается довольно редко, а остальные, рассеиваясь на холодных атомах мишени, быстро расходуют энергию на их ионизацию и полностью теряют возможность когда-либо подойти близко друг к другу. Мишень просто впитывает в себя энергию падающих на нее горячих дейтонов, возвращая лишь незначительную ее часть в редких реакциях синтеза двух ядер. Такими изредка вспыхивающими спичками не разжечь ядерного «костра» в холодной мишени.

Реакция слияния ядер тяжелых изотопов водорода, так же как и другие отдельные экзотермические ядерные реакции, никогда не принималась всерьез как возможный практический метод генерации энергии. Она не давала выигрыша. Каким же образом в звездах эта реакция синтеза ядер делается энергетически выгодной?

Если четвертое измерение — удобная математическая абстракция, то четвертое состояние вещества — полнейшая реальность. Древние называли его огнем, мы предпочитаем слово «плазма». Плазма — это ионизированный, то есть состоящий из смеси заряженных ядер и электронов, газ.

Почти вся материя вселенной находится именно в этом четвертом состоянии: и Солнце и звезды состоят из раскаленной плазмы. В ней реакции синтеза становятся достаточно интенсивными, потому что уже многие ядра изотопов водорода имеют энергию, достаточную для сцепления.

В хаосе теплового движения ядра непрерывно сталкиваются друг с другом, но энергии уже не теряют. Поэтому даже неудачное, не лобовое столкновение не выводит дейтон из игры. Если каждое ядро успеет испытать несколько десятков соударений, то одно из них наверняка завершится реакцией синтеза. Эти реакции называют термоядерными, потому что они происходят в веществе, нагретом до очень высокой температуры.

Первый экспериментальный термоядерный взрыв, который был осуществлен в 1952 году, доказал возможность освобождения большого количества термоядерной энергии. Но человечество заинтересовано в создании такого устройства, где можно добывать термоядерную энергию не взрывом, а в условиях жесткого контроля над ней.

По аналогии с ядерными реакторами, в которых идут контролируемые человеком реакции деления ядер урана, будущие установки для интенсивных, но управляемых реакций синтеза легких ядер назвали термоядерными реакторами.

Насколько быстро удалось пройти путь от открытия цепных реакций деления урана до создания первого реактора, настолько более трудной, тернистой и утомительной оказалась дорога, ведущая к созданию термоядерного реактора.

Плазма давно служит человеку. Без нее не обходится ни один газоразрядный прибор. Каждый вечер на улицах вспыхивают лампы дневного света, огни реклам, в которых пылает так называемая холодная плазма с температурой ионов, близкой к комнатной. До какой же температуры надо нагреть дейтериевую плазму, чтобы начались интенсивные реакции синтеза?

Термоядерный «реактор» Солнца работает при температуре около 15 миллионов градусов. Такая температура слишком низка для плазмы будущего энергетически выгодного земного реактора. И вот по какой причине.

Электростатический барьер вокруг заряженного ядра дейтерия имеет высоту около 400–500 килоэлектрон-вольт. А температура в 15 миллионов градусов сообщает ядрам в среднем энергию всего лишь в 2 килоэлектрон-вольта. Большинство ядер без толку топчется друг около друга, и только редкие из них, те, кому перепала большая энергия, вступают в реакцию синтеза. Но солнечный реактор содержит такую огромную массу вещества, что даже при малой вероятности термоядерных реакций в не очень горячей плазме достаточно большое количество ядер участвует в реакции слияния.

В земных условиях осуществить это нельзя. В больших масштабах получать термоядерную энергию с помощью взрыва водородной бомбы можно, но нельзя же использовать взрыв в качестве источника энергии для мирной деятельности! Проблема освоения термоядерной энергии заключается в добывании ее небольшими порциями, пригодными для использования в энергетике и на транспорте.

Значит, при небольшой массе реагирующего вещества вся надежда возлагается только на температуру. Только увеличивая температуру плазмы, можно увеличить и вероятность термоядерных реакций. В разогретой до 100 миллионов градусов плазме ядра в среднем будут иметь энергию около 15 килоэлектрон-вольт, то есть еще во много раз меньше той, что необходима для преодоления силы электростатического отталкивания. И все-таки столь высокая температура обеспечивает возможность вступления в реакцию синтеза уже значительно большему количеству частиц.

Энергия, которую необходимо «накачать» в плазму для разжигания в ней интенсивных термоядерных реакций, относительно невелика. Но как дырявая велосипедная шина быстро теряет воздух, так же быстро теряет получаемую энергию и плазма, касаясь холодных стенок сосуда. Здесь и Прометей опустил бы руки. Ему просто не в чем было бы принести людям огонь из термоядерного костра.

В звездах огромные силы тяготения удерживают горячую плазму в центральной области и не дают ей расползтись и перемешаться с более холодными слоями. На Земле физикам предстояло создать в лаборатории такую звездную плазму и научиться удерживать ее некоторое время в нагретом состоянии.

«Проблема управляемого термоядерного синтеза по своей трудности оставляет позади все другие научно-технические проблемы, порожденные успехами естествознания в XX веке», — говорил академик Л. Арцимович.

Идея о том, что горячую плазму можно «удержать в руках» с помощью магнитного поля, возникла примерно четверть века назад. Плазма получается при достаточно сильном нагревании газа. Уже при температуре в несколько тысяч градусов начинают «рваться» электромагнитные узы, удерживающие электроны вокруг ядер, а при температуре в миллионы градусов практически все атомы распадаются на составные части. Любой, даже очень маленький, кусочек плазмы остается электрически нейтральным, но в ней хаотически движутся не нейтральные атомы, а одинаковое число положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. И те и другие частицы покорны магнитному полю, и поэтому казалось, что с его помощью легко управлять плазмой.

Сначала идея о магнитной термоизоляции плазмы была реализована в обычной разрядной трубке, в том самом приборе, в котором Дж. Дж. Томсон обнаружил электроны, оторванные от атомов в результате ионизации, и физики впервые в конце прошлого века получили вещество в четвертом состоянии. Через дейтериевый газ, находящийся в трубке, в течение миллионной доли секунды пропускали мощный электрический разряд. Ток, нагревая газ, создавал плазму, а магнитное поле тока отрывало ее от стенок и стягивало к оси трубки. Теперь плазма уже не касалась холодных стенок, и ее удавалось нагреть до миллиона градусов. Так впервые в лаборатории ученые получили вещество при температуре, равной температуре солнечной короны. Происходили при таком нагреве термоядерные реакции синтеза или нет?

Главный признак начала термоядерного слияния ядер — появление нейтронов. И при образовании ядер гелия из двух слипшихся дейтонов, и в реакции синтеза дейтона с ядром самого тяжелого изотопа водорода — трития обязательно рождаются нейтроны. Появления в горячей плазме этих нейтронов и ждали с нетерпением экспериментаторы.

И вот 4 июля 1952 года в одной из серий очередных опытов в Институте атомной энергии имени И. Курчатова бездействовавшие до этого момента счетчики нейтронов заработали. Казалось, заветная цель — осуществление управляемой термоядерной реакции — близка. Но ученых ждало жестокое разочарование.

Детальный критический анализ, проведенный самим руководителем работ по управляемому термоядерному синтезу академиком Л. Арцимовичем, показал, что полученные нейтроны не термоядерного происхождения, основная масса дейтонов не успевала прогреться до температуры, позволяющей им вступить в термоядерные реакции синтеза, плазма погибала немного раньше. В чем же дело?

А дело оказалось сложным и очень запутанным.

Плазма — это спаянные электрическими силами легкие электроны и тяжелые атомные ядра. Едва возникнув в разрядной трубке, она благодаря «усилиям» всех своих частиц вытесняет магнитное поле тока из своего объема. А вытесненное поле с силой давит на поверхность плазмы и формирует плазменный жгут. Плазменный жгут не соприкасается со стенкой и как будто может достаточно долго существовать при большой температуре.

Но сдавленная магнитным полем плазма совершенно неустойчива. Малейший изгиб плазменного шнура приводит к тому, что давление магнитного поля в месте изгиба становится еще сильнее, деформация усиливается, шнур теряет форму, и раскаленные частицы расплескиваются по стенкам трубки.

В первой же попытке обуздать раскаленное вещество, находящееся в четвертом состоянии, ученые столкнулись с его коварным характером и потерпели неудачу. Ясно было, что ответ на вопрос: «Возможно ли осуществление управляемой термоядерной реакции?» — можно получить только после исследования свойств самой плазмы.

Так возникла новая наука — физика высокотемпературной плазмы, о которой Л. Арцимович как-то полушутя сказал, что ее не следует причислять к естественным наукам, так как предметом естественных наук являются объекты, созданные природой, а предметом физики плазмы — объекты, созданные экспериментаторами.

Сейчас в лабораториях мира работают больше сотни магнитных «бутылок» — разных типов ловушек для плазмы. Одни из них, например, такие, как американская «Сцилла», похожи на разрядную трубку, где плазму удерживают с помощью дополнительного проводника с током. Однако горячая плазма живет в ней всего лишь несколько миллионных долей секунды.

В других, например, в советской системе с магнитными пробками «Огра», готовая плазма впрыскивается в трубку, у торцов которой создается более сильное поле, чем в центре. Заряженные частицы, как свет от зеркала, отражаются от области сильного магнитного поля, и плазма мечется между магнитными пробками.

В начале 60-х годов сотруднику отдела плазменных исследований Института атомной энергии М. Иоффе впервые удалось продлить жизнь плазмы до десятых долей секунды. Он так удачно расположил дополнительные внешние проводники с током, что плазма перестала пролезать между силовыми линиями и преждевременно гибнуть. Это было крупнейшим достижением. К сожалению, в такой установке выживала только очень разреженная плазма.

А физики твердо знают, какая именно нужна плазма, чтобы добиться цели — получения экономически выгодных термоядерных реакций. Плазма, состоящая из смеси дейтерия и трития и нагретая до сотни миллионов градусов, должна иметь такое число частиц (n) в одном кубическом сантиметре и такое время жизни (τ) в секундах, чтобы их произведение (nτ) было больше 3 · 1014.

Пока ни в одном плазменном устройстве из созданных во многих лабораториях разных стран не получена плазма с необходимыми параметрами. Чаще всего было так, что в установках одного типа удавалось только нагреть плазму до очень высокой температуры. А достаточно большого времени удержания плазмы добивались в установках совершенно другого типа.

Физикам предстояло решить сложнейшую задачу — соединить эти рекордные достижения в одном термоядерном реакторе.

— Значит, надо было сконструировать для плазмы какой-то особенный магнитный дом?

— Да. Именно к этому физики и стремились. И как-то в голову им пришла счастливая мысль — устроить плазму в кольцевом магнитном поле.

— Ну конечно, отличная мысль. Как говорится, «у кольца нет конца», и плазма не найдет из него выхода.

— Она может найти «выход» везде, даже там, где его как будто и нет. Но ученым удалось постепенно «вырастить» в такой ловушке наилучшую по своим параметрам плазму.

Более 20 лет назад в Институте атомной энергии имени И. Курчатова под руководством академика Л. Арцимовича развернулись исследования плазменных устройств замкнутого типа. В них нет электродов, и плазма как бы замыкается сама на себя.

Эти термоядерные установки — широко известная теперь дружина Токамаков. Их название было составлено из слов, обозначающих основные элементы установки: ток, камера, магнитные катушки — то-ка-ма-к. До последнего времени самым большим из них был Токамак-4, который создавал и удерживал лучшую плазму в мире.

Токамак не бьет по плазме мгновенным электрическим разрядом огромной мощности, не гоняет ее между магнитными пробками. Она свободно растекается в похожей на бублик камере вдоль силовых линий магнитного поля. Металлическая тороидальная камера, наполненная газообразным дейтерием, надета на железный сердечник. В таком сочетании она представляет собой вторичную обмотку трансформатора. Ток, возникающий в камере, разогревает газ и превращает его в плазму.

Плазма, отдаленная от стенок сжимающим ее магнитным полем тока, успевает уравновесить его давление своим собственным газовым давлением. Она превращается в кольцо, расположенное вдоль оси камеры. Но сколько времени оно может просуществовать?

Все зависит от того, насколько устойчив плазменный шнур, покоящийся на магнитных силовых линиях. Представьте себе подвешенное на ниточках в горизонтальной плоскости кольцо из очень мягкой резины. Оно деформируется: в тех местах, где укреплены ниточки, образуются перетяжки, а в промежутках между ними кольцо провисает.

Плазменный шнур — это разреженное облачко ионизированного газа, весящее всего лишь несколько десятков микрограммов. Кольцевая камера Токамака не что иное, как вакуумная камера. Газ, заполняющий ее, при атмосферном давлении весит в миллионы раз больше. Можно представить, как легко деформируется это эфемерное облачко плазмы удерживающим его магнитным полем.

В отличие от устойчивой деформации резинового кольца деформация плазмы, однажды возникнув, непременно нарастает: шнур теряет форму, и плазма гибнет на стенках камеры.

Если вставить в мягкое резиновое кольцо упругую стальную проволоку, оно станет более жестким. Роль такой упругой проволоки в плазменном шнуре Токамака выполняют силовые линии продольного магнитного поля, которое создается дополнительной катушкой, намотанной прямо на камеру. Замкнутые силовые линии этого поля имеют форму окружностей, параллельных плазменному шнуру. Они и создают тот магнитный «дом», в котором физики запирают горячую плазму: она лишается свободы, из-за которой раньше гибла.

Продольное магнитное поле так воздействует на частицы, что каждая из них начинает кружиться вокруг его силовой линии и может свободно перемещаться только вдоль нее. Движение поперек камеры законами электродинамики запрещено. Нарушивший этот запрет участок плазмы тащит за собой и силовые линии продольного магнитного поля, которые из-за коллективных свойств плазмы как бы прикреплены к ней. Распрямляясь, упругие силовые линии задержат нарушителя, и нарастание деформации прекратится.

Скорость потери энергии плазмы в советской установке Токамак оказалась в 50–60 раз меньше предрекаемой американским ученым Д. Бомом.

В 1968 году на конференции в Новосибирске Л. Арцимович сказал: «Мы освободились от мрачного призрака громадных потерь, воплощенного в формуле Бома, и открыли путь для дальнейшего повышения температур…»

Это была серьезная победа советской плазменной школы. Потребовалось десять лет кропотливой работы и совместных усилий экспериментаторов и сотрудников теоретического сектора, возглавляемого академиком М. Леонтовичем, для того, чтобы плазма действительно стала чувствовать себя в Токамаке «как дома».

Окруженная двойной магнитной сеткой плазма не оставляла попыток проскочить сквозь нее. Для отдельных заряженных частиц комбинация магнитных полей в Токамаке — идеальная магнитная ловушка. Но для коллектива частиц плазмы это далеко не так. Тут на руку плазме играла даже форма камеры.

Плазма в тороидальной камере представляет собой проводящий виток с током. А каждый уважающий себя виток, находясь в магнитном поле, стремится растянуться, как свернутая стальная пружина. Развертываясь, плазменный шнур может коснуться стенок и погибнуть.

К счастью, с этой бедой Токамак автоматически справляется сам. Ток, текущий по плазме, окружает ее магнитным одеялом. Оно-то и касается стенок раньше плазмы. Силовые линии, пересекая толстую металлическую стенку камеры, наводят в ней ток (так называемый ток Фуко), обратный по направлению току в плазме. А противоположные токи всегда отталкиваются. Поэтому плазменный виток вместо соприкосновения со стенкой отшатывается от нее.

Долго физики пестовали плазму в Токамаке. Из года в год они все сильнее подавляли «микробы» неустойчивости, сокращавшие жизнь горячей плазмы. Упорная борьба с ее болезнями и недомоганиями привела к большому успеху: в Токамаке была выращена практически устойчивая плазма. Но, даже находясь как будто в устойчивом, равновесном состоянии, горячая плазма все равно живет недолго, так как подвержена всякого рода случайностям. Она, если так можно сказать, куда чувствительнее принцессы на горошине. Под магнитной периной в 40 тысяч эрстед она ощущает слабое дополнительное поле даже в десять эрстед, случайно оказавшееся поблизости. Кончается это плохо — возмущенная плазма выходит из состояния равновесия и попадает на стенки камеры.

Беда еще и в том, что плазма все-таки теряет полученную энергию. Между плазмой и стенками камеры — огромный перепад температуры. Несмотря на то, что сама камера тоже горячая, раскаленной до миллионов градусов плазме она кажется ледяной. Подчиняясь закону теплопроводности, горячие частицы плазмы все время стремятся передать энергию холодным стенкам. Заряженные электроны и ядра дейтерия, вращаясь вокруг силовых линий продольного магнитного поля, сталкиваются друг с другом и в результате перескакивают с одной силовой линии на другую. Так почти незаметно для магнитного поля частицы достигают стенок и отдают им немалую часть энергии плазмы.

Плазма, живущая в Токамаке, предъявляет к своему дому очень высокие требования. Он должен быть абсолютно чист. Поэтому перед каждым опытом камеру тщательно чистят: долго откачивают воздух при высокой температуре. Но даже считанные атомы тяжелых элементов, застрявшие там, сваливаются со стенок и сильно охлаждают плазму. На таком атоме ворох электронных одежд. Снимая их — ионизируя атом, — плазма опять теряет энергию.

О качестве выращенной плазмы можно судить только после того, как станут известны температура ее ионов и электронов и плотность частиц. Измерить эти величины в веществе, находящемся в четвертом состоянии, очень трудно. Как подобраться к плазме, аккуратно спеленатой двумя магнитными полями, висящей в глубоком вакууме, спрятанной от экспериментаторов в камере с двойными металлическими стенками? Она все время рядом, но существует как будто в другом мире!

И все-таки ученые нашли способы определения числа частиц в камере и измерения их температуры. Оказалось, что температура ионов в Токамаке-3 достигала 400 электрон-вольт (то есть почти 5 миллионов градусов), а электронов — 1000 электрон-вольт. (Эти результаты были подтверждены и в совместном эксперименте английских и советских физиков, в котором с помощью лазеров одновременно измерялась температура электронов и концентрация этих частиц в Токамаке.) При такой температуре некоторая часть ядер дейтерия уже имела энергию, которая давала им возможность вступать в реакцию термоядерного синтеза.

На установке Токамак-3 ученые впервые зарегистрировали длительное термоядерное нейтронное излучение устойчивого плазменного витка. В устройстве, созданном руками человека, затеплился настоящий термоядерный огонек. Плазму такого качества не получали еще ни в какой другой плазменной установке замкнутого типа.

Работа с плазмой напоминает работу терпеливого мастера над каменным кружевом. Изо дня в день искусный резчик по камню добавляет все новые и новые детали. Изо дня в день ученые все улучшают параметры плазмы.

Исследования на Токамаках начались с температуры плазмы около 100 тысяч градусов и с величины главного параметра плазмы — nτ (произведения плотности плазмы на время ее удержания) — около 107. К концу 60-х годов ученым удалось поднять температуру до 5 миллионов градусов, а nτ увеличить в 10 тысяч раз.

О результатах, достигнутых на Токамаке-3, Л. Арцимович рассказывал на III Международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Его сообщение вызвало огромный интерес в научном мире. Неожиданно для многих Токамаки опередили все другие плазменные установки и оказались наиболее перспективными. В июне 1969 года Комиссия по атомной энергии США одобрила план создания плазменных установок типа Токамак в лабораториях в Окридже и Принстоне. Сейчас в лабораториях мира действует или строится более 30 крупных Токамаков. Восемь установок находится в Советском Союзе, остальные в США, Англии, Франции, Италии, ФРГ, Австралии, Японии, КНР.

Но цель, которая по-прежнему стоит перед учеными, можно будет считать достигнутой лишь тогда, когда заработает первый промышленный термоядерный реактор.

Останутся ли справедливыми для термоядерных реакторов синтеза выводы, полученные в опытах на сегодняшних Токамаках, работающих пока лишь на физическом термоядерном уровне (реакция идет без получения выигрыша в энергии), — вот что беспокоит физиков, работающих с горячей плазмой. Но решится это только после тщательного исследования плазмы в новых, более мощных установках. Одна из них, Токамак-10, недавно запущена в Советском Союзе.

Руководитель советской термоядерной программы академик Е. Велихов сказал: «Мы должны научиться нагревать плазму до 100 миллионов градусов (сейчас пока пройден десятимиллионный рубеж). Другое условие — плотность плазмы должна быть не менее 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре, то есть вдвое больше той, что мы сейчас получаем. И самое основное — время удержания плазмы: на Токамаке-10 оно равно 0,01–0,02 секунды, а для полномасштабной термоядерной реакции требуется секунда».

Плотность плазмы в Токамаке-10 будет такой же, как в будущем энергетическом реакторе. Параметр же nτ достигнет только величины 1013, которая в 10–30 раз меньше, чем должна быть в энергетическом реакторе.

Советские ученые создали проект первого демонстрационного реактора с большим диаметром тороидальной камеры, равным 5 метрам, который получил название Токамак-20. В этом, по-видимому последнем, лабораторном прототипе промышленного термоядерного реактора плазма будет нагреваться до 70–100 миллионов градусов.

Параметры и режим работы этой установки уже позволят получить столько энергии от термоядерной реакции, сколько ее будет затрачено на нагрев и удержание плазмы.

С помощью Токамака-20 предстоит решить очень важные физические и технические проблемы. Например, необходимо выяснить, не произойдет ли резкого ухудшения термоизоляции плазмы при температуре около 100 миллионов градусов; необходимо найти новые, более эффективные методы нагрева плазмы.

Если удастся решить все эти сложные задачи, то на принципе Токамаков можно будет создать энергетический термоядерный реактор — электростанцию.

— Если так трудно удерживать разреженную плазму длительное время, то нельзя ли быстро «сжигать» термоядерное топливо, как это происходит при взрыве водородной бомбы?

— В этом случае может разрушиться установка. Ученые нашли более мирный путь, попробовали взрывать маленькие порции ядерного топлива с помощью мощной вспышки когерентного, лазерного света.

Нет сомнений в том, что «эра синтеза» сменит «эру деления», как только завершится успехом борьба ученых за управляемую термоядерную реакцию. За последние 10 лет выросло и оформилось новое направление, по которому пошли ученые, пытающиеся «приручить» термоядерный огонь. Вскоре после создания оптических лазеров, с помощью которых можно было сосредоточить огромную энергию в небольшой области пространства, возникла идея быстрого зажигания термоядерной реакции синтеза короткими импульсами света лазеров.

Этот путь в принципе ведет к созданию термоядерных реакторов с импульсным режимом работы. Если в Токамаках — установках непрерывного действия — ученые добиваются увеличения времени жизни плазмы, то у специализирующихся во втором направлении совсем иные заботы.

В импульсной термоядерной системе энергия из каждой порции плазмы извлекается за столь короткое время, что отпадает необходимость бороться с ее неустойчивостью. Физики-лазерщики согласны с О. Уайлдом, который сказал, что «лучший способ избавиться от искушения — это поддаться ему». Они не тратят времени на укрощение плазмы и не пытаются переделать ее природу.

Но предоставленная самой себе плазма жила короткий миг, за который надо успеть поднять ее температуру до 100 миллионов градусов. Это первое неудобство.

Во-вторых, надо как-то поддерживать на необходимом уровне значение параметра плазмы nτ, которое катастрофически быстро снизилось из-за резкого уменьшения τ до 10–9 секунды.

Поддавшись искушению — дав плазме полную свободу, физики вынуждены были подтягивать как можно выше второй множитель в главном показателе качества плазмы — плотность.

Величина выделяющейся термоядерной энергии при nτ = 1014 совпадала бы с затратами на нагрев плазмы. Выигрыш в энергии хотя бы в десять раз можно было получить, если еще в десять раз увеличить число частиц в плазме.

Простейший арифметический расчет показывал, что физикам надлежало мгновенно зажечь термоядерные реакции слияния ядер практически в твердом теле, плотность которого около 1022 частиц в кубическом сантиметре.

Ничтоже сумняшеся ученые принялись «изготавливать» в лаборатории такую же плотную плазму, какая заполняет сердцевину Солнца, но с температурой в десять раз большей. Но каким же образом?

Плазму с плотностью твердого тела можно было создать единственным способом: разогревая кусочек твердого же вещества. Поэтому мишень, на которую исследователи направили луч лазера, представляла собой что-то вроде таблетки из смеси дейтерия и трития в замороженном, твердом состоянии.

Короткий импульс лазерного света быстро переводил тонкий поверхностный слой вещества в состояние плазмы и нагревал его до высокой температуры. Плазменный сгусток не выдерживал того огромного давления, что возникало в нем из-за высокой температуры и плотности, и разлетался. Происходил небольшой термоядерный взрыв.

Физики находят, что если установки с длительным удержанием плазмы в магнитном поле напоминают паровую машину, то импульсная термоядерная установка подобна двигателю внутреннего сгорания, в котором происходят кратковременные взрывы горючего.

При лазерном термоядерном синтезе твердая мишень весом в десятые или сотые доли грамма — источник микровзрыва, эквивалентного тоннам взрывчатки. Но этот взрыв не представляет опасности ни для здоровья людей, ни для самой термоядерной установки, так как в нем участвует ничтожно малая масса вещества.

В апреле 1968 года в Физическом институте имени П. Н. Лебедева группой ученых под руководством лауреата Нобелевской премии академика Н. Басова впервые были получены нейтроны из плазмы, нагреваемой излучением лазера.

Так была открыта еще одна способность лазера — способность нагревать вещество до температуры, при которой начинается «слипание» ядер дейтерия и трития.

Следующий этап исследований, кстати незавершенный еще и по сей день, посвящен решению важнейшего вопроса: какой максимальный выигрыш в энергии может дать лазерный термоядерный синтез?

Казалось, что импульсный метод получения термоядерной энергии никаких резервов в себе уже не таил. Время жизни плазмы практически не зависело от конструкции установки. Резерв по плотности тоже как будто был полностью выбран. Физики уже работали с «твердой» плазмой, температуре которой позавидовало бы само Солнце.

И все-таки плотность оставалась тем единственным рычагом, нажимая на который можно было добиться энергетически выигрышных реакций.

Лазерный луч, ударяя по поверхности твердой мишени, нагревает лишь ее поверхностный слой. Большая плотность вещества не дает возможности световому излучению проникнуть на достаточную глубину. Огромная тепловая энергия, которая выделяется на поверхности за счет сильного поглощения света, уносится внутрь мишени только горячими электронами.

Такой метод нагрева не очень-то эффективен. С его помощью можно получить плазму лишь с такими параметрами, которые позволяют только-только свести концы с концами. Добываемая термоядерная энергия никогда не превысит энергии, затраченной на разогрев вещества.

В 1972 году группа американских ученых предложила новую схему лазерного термоядерного синтеза с выигрышем энергии в сотни раз за счет еще большего повышения плотности мишени. По их замыслу, твердый шарик из замороженной смеси дейтерия и трития со всех сторон облучается световыми пучками лазеров. На поверхности сферы должен появиться слой горячей плазмы в виде короны. В перегретой и плотной «короне» должно возникнуть давление до сотен миллиардов атмосфер и разнести плазму во все стороны (и к центру сферы, естественно).

Вот этот «пресс» из быстрых частиц, по идее, и должен уплотнить внутренние области мишени, нагревая их за счет работы сил сжатия. Плазма тотчас приобрела бы плотность, может быть, в сотни раз превышающую плотность твердого тела, и скорость термоядерных реакций при такой плотности резко возросла бы: ядра дейтерия и трития чаще сталкивались бы друг с другом.

Первые эксперименты по сжатию плазмы до сверхплотных состояний были поставлены в Физическом институте имени П. Н. Лебедева. Там под руководством Н. Басова в 1970 году была создана уникальная лазерная установка для сферически симметричного облучения мишени. За короткое время, приблизительно равное 10–9 секунды, девять лазерных пучков установки обрушивали на твердый шарик диаметром 10–2 сантиметра, помещенный в центре вакуумной камеры, энергию в 1000 джоулей. Световые лучи практически одновременно, с точностью до 10–10 секунды, сходились в одной точке, создавая плазму и вызывая в ней термоядерную реакцию.

Мгновенный, по сути дела, процесс образования и разлета плазмы ученые анализировали с помощью киноаппарата, только не обычного, а лазерного сверхскоростного с частотой съемки до 1 миллиарда кадров в секунду. Аналогичные термоядерные установки были запущены во Франции и США. Однако проблема лазерного управляемого термоядерного синтеза еще далеко не решена.

В сверхсжатой мишени термоядерные реакции обещают стать энергетически выгодными, если увеличить мощность лазеров до 105–106 джоулей и выполнить жесткие требования по отношению к форме лазерного импульса.

Но сотрудники ФИАНа и Института прикладной математики АН СССР разработали новую схему термоядерного синтеза. Эта схема дает возможность получать в 1000 раз больше энергии по сравнению с затрачиваемой на создание плазмы и одновременно отменяет особые требования на форму светового лазерного импульса.

Идея заключается в сжатии лучами лазеров не твердых шариков, как это было в предыдущем случае, а мишеней, представляющих собой тонкие сферические оболочки, состоящие из целого набора слоев легких веществ, тяжелых и термоядерного горючего.

Лазеры с импульсами простой формы и с общей мощностью в миллион джоулей сжимают вещество мишени до плотности, почти в 10 раз большей, чем у самого тяжелого химического элемента. Из теоретических оценок следует, что в этих условиях термоядерные реакции синтеза будут энергетически выгодными.

Теперь главная задача заключается в развитии лазерной техники. Ученые работают над созданием крупных лазерных установок, которые позволили бы проверить те новые физические идеи, которые помогут решить проблемы управляемого лазерного синтеза.

После того как в США начались успешные исследования на термоядерных установках непрерывного действия типа Токамак, сотрудники Комиссии по атомной энергии высказали предположение, что демонстрационный действующий термоядерный реактор будет, вероятно, закончен уже в середине 90-х годов.

По мнению американских ученых, работающих в области лазерного термоядерного синтеза, демонстрационный лазерный термоядерный реактор заработает лет через 15, то есть тоже в 90-х годах.

Какой подход к осуществлению термоядерного реактора окажется наиболее реальным, пока неясно. «…Еще неизвестно, — говорил Л. Арцимович, — на какой ветке вырастет золотое яблоко».

В настоящее время исследования лазерного термоядерного синтеза, так же как и осуществление непрерывных реакций слияния ядер в условиях длительного удержания плазмы с помощью магнитного поля, еще не вышли за рамки научно-исследовательских лабораторий. Но решение этих сложных задач не за горами, особенно в условиях тесного международного сотрудничества.

Соглашение между СССР и США, подписанное в Вашингтоне, открывает широкую дорогу такому сотрудничеству, выгодному для обеих сторон. Оно учитывает большое значение проблемы удовлетворения быстро растущих энергетических потребностей США, СССР и других стран мира и предусматривает совместные действия в области управляемого термоядерного синтеза.

— Но пока тепловые электростанции — основной источник энергии; в ближайшие десятилетия атомные реакторы не смогут их заменить; и значит, надо уже сегодня что-то конкретно делать для ликвидации их отрицательного воздействия на среду.

— Конечно, но проблема не только в загрязнениях. Реакция горения лишает нас запасов угля, нефти и газа — ценнейшего на Земле, невосполнимого органического сырья, — и основы нашего существования — кислорода.

— А не будут ли загрязнять среду ядерные и термоядерные установки?

— Ядерное тепло намного чище в экологическом смысле. Радиоактивные отходы можно тщательно собирать и изолировать.

«Эра деления», начало которой было положено запуском первой атомной электростанции, в состоянии будет замедлить развитие глобального загрязнения атмосферы и сберечь ресурсы газа и нефти, важнейшего сырья для химической промышленности.

Установки, использующие реакцию деления ядер урана, тоже, к сожалению, небезотходны. Продукты деления урана содержат долгоживущие радиоактивные изотопы, накопление которых увеличивается пропорционально темпам развития ядерной энергетики. К концу века количество радиоактивных отходов возрастет в несколько десятков раз. Однако ученые во всем мире работают над радикальным решением проблемы их переработки и надежной консервации.

Отходы производства ядерной энергии представляют опасность для человека, но, применяя особые способы захоронения, радиоактивные вещества удается совершенно изолировать от внешней среды.

Конструкция же самих реакторов деления отработана теперь столь тщательно, что вероятность гибели человека от радиоактивных продуктов при аварии реактора в 10 тысяч раз меньше, чем от удара молнии во время грозы.

«Эра синтеза», которая начнется с вводом в строй первого промышленного термоядерного реактора и завершится полным вытеснением атомных электростанций, навсегда избавит человечество от забот, связанных с решением проблемы энергетики. И самое главное, даст по-настоящему «чистое тепло», не сопровождающееся никакими вредными для человека отходами.

В реакции слияния ядер дейтерия и трития образуются только альфа-частицы и нейтроны, которые и уносят 80 процентов всей выделяющейся энергии. Альфа-частицы — это стабильные ядра химического элемента гелия, не представляющие никакой опасности. А нейтроны должны полностью улавливаться в установке. Плазма со всех сторон будет окружена веществом, хорошо замедляющим и поглощающим нейтроны, которое и соберет в себе всю вырабатываемую реактором энергию.

Во многих вариантах будущих термоядерных установок роль поглотителя нейтронов отводится жидкому литию. Термоядерные нейтроны хорошо тормозятся в литии и повышают его температуру. Поток расплавленного лития из реактора, подобно расплавленной лаве вулкана, доставит ядерное тепло в теплообменник, где и отдаст его воде.

Ядра лития захватывают нейтроны и превращаются в ядра самого тяжелого изотопа водорода — трития. Тритий — единственный радиоактивный продукт, возникающий в процессе передачи энергии реакции синтеза, но в то же время он и участник этой реакции, поэтому его целесообразно снова пустить в дело.

Американские ученые из Окриджа предлагают любопытную схему работы импульсного термоядерного реактора, в котором смесь дейтерия и трития «зажигается» мощным лазерным импульсом. По их идее в металлический сосуд сферической формы диаметром до 5 метров под давлением помещается расплавленный литий, который приводится во вращательное движение. Если быстро размешивать ложечкой в стакане чай, то образуется воронка. При достаточной скорости вращения литиевой «жидкости» тоже образуется воронка, дно которой расположится несколько глубже центра сосуда.

Таблетка замороженной смеси дейтерия и трития сбрасывается в воронку и «поджигается» лазером в тот момент, когда она пролетает через центр. Термоядерный взрыв таблетки за тысячную долю секунды повышает температуру в центре сосуда на несколько сотен градусов. Пары лития и расширяющаяся плазма создают такую ударную волну, которая разорвала бы сосуд, если бы достигла его стенок. Но ее можно значительно ослабить путем введения внутрь жидкого лития большого количества газовых пузырьков, например, через перфорированное кольцо на дне сосуда. Когда ударная волна проходит через такой пузырек, она разбрызгивает жидкость с внутренней его поверхности. Капельки пролетают через пузырек и разбиваются о противоположную стенку. Большая часть их кинетической энергии переходит в тепло. Пройдя через насыщенный пузырьками литий, ударная волна потеряет свою силу и не причинит установке никакого вреда.

В термоядерном контейнере (радиусом больше одного метра) с жидким литием потери нейтронов практически не будет. Вращающаяся литиевая оболочка наглухо «запирает» энергию микровзрывов, повторяющихся приблизительно через каждые 10 секунд.

Подобный термоядерный реактор представляет гораздо меньшую опасность для человека и окружающей среды, чем урановый котел. Радиоактивные ядра трития испускают только бета-лучи (электроны) малой энергии. К тому же нет проблемы захоронения этого вещества. Тритий необходим в самом производстве энергии, и это обеспечивает почти замкнутый цикл. Речь может идти лишь об утечке этого продукта, которую можно сделать совершенно незначительной и даже, как полагают ученые, совершенно избежать загрязнения окружающей среды.

В отличие от ядерных реакторов, которые содержат критическую массу делящегося материала, что заставляет создавать сложную антиаварийную технику, в термоядерных реакторах не может произойти неуправляемого ядерного взрыва (для этого просто недостаточно топлива). Более того, в некоторых реакциях синтеза — например, при слиянии ядер изотопа лития-6 и протонов — образуются только заряженные частицы: ядра изотопов гелия-3 и гелия-4.

Собирая заряженные вторичные частицы на электродах, можно добиться прямого преобразования ядерной энергии в электрическую с КПД до 90 процентов.

Для реакторов, в которых и топливо и «зола» состоят из стабильных ядер, проблемы радиоактивных загрязнений просто не существует. Их можно будет с успехом использовать для установки на транспорте.

Помимо производства электроэнергии, термоядерные реакторы могут оказаться полезными и для других целей.

Струя высокотемпературной плазмы из реактора — «термоядерная горелка» — найдет применение для разложения вещества на атомы с последующим их разделением. Таким путем любые отходы могут быть превращены в полезное для производства сырье.

Создание замкнутых, безотходных циклов производства позволит избежать угрозы экологического кризиса, предотвращая загрязнение окружающей среды и сохраняя в максимальной степени природные ресурсы.

Итак, развитие ядерной физики открыло перед человечеством перспективу получения энергии гораздо более чистым способом — из урана и водорода — элементов, не используемых в других областях производства.

Наука о строении вещества дает реальную основу для будущего мирного сосуществования и взаимодействия природы и человека в сфере жизни.

Наша прекрасная планета должна оставаться вечно голубой, сколько бы поколений людей ни сменяли друг друга.