ЧАСТЬ I

ЧАСТЬ I

Б. Альтшулер

Управляемая термоядерная реакция

Взрывомагнитные генераторы

1. Управляемая термоядерная реакция

В 1950 году А.Д. Сахаров вместе с И.Е. Таммом выдвинул идею, которая, вероятно, является его главным научным и изобретательским достижением. Это — предложение осуществления управляемой термоядерной реакции для энергетических целей с использованием принципа магнитной термоизоляции плазмы (см; Большая Советская Энциклопедия, статьи о Сахарове и Тамме). Управляемая термоядерная реакция так же, как реакция, происходящая в водородной бомбе, представляет собой слияние ядер изотопов водорода — дейтерия и трития — с образованием (синтезом) ядер гелия и выделением энергии, но не при взрыве, а в условиях промышленного устройства — термоядерного реактора. В отличие от цепной реакции деления ядер урана и плутония в атомной бомбе и в реакторах атомных электростанций, термоядерная реакция возможна лишь при температуре в десятки или даже сотни миллионов градусов.

Сахаров и Тамм показали, что при движении заряженных частиц — ядер и электронов — в магнитном поле специальной конфигурации отвод тепла уменьшается настолько, что становится в принципе возможным нагрев плазмы до необходимой температуры и поддержание ее в течение времени, достаточного для термоядерной реакции. Об этих работах доложил И.В. Курчатов 25 апреля 1956 года в своей знаменитой лекции в английском атомном центре в Харуэлле (1) во время визита в Англию с Хрущевым и Булганиным; они были опубликованы в трудах Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии, а также в сборнике (2) под общим заглавием "Теория магнитного термоядерного реактора" (МТР). Части 1, 3 — статьи И.Е. Тамма; часть 2 — статья А.Д. Сахарова. В кратком введении Сахаров пишет: "В работе И.Е. Тамма изложены свойства высокотемпературной плазмы в магнитном поле, дающие надежду на осуществимость МТР. Ниже излагаются другие вопросы теории МТР, а именно: §1. Термоядерные реакции. Тормозное излучение. §2. Расчет большой модели. Критический радиус. Краевые явления. §3. Мощность подмагничивания. Оптимальная конструкция. Производительность по активным веществам. §4. Дрейф в неоднородном магнитном поле. Подвешенный ток. Индукционная стабилизация. §5. Проблема плазменной неустойчивости".

Эти работы Сахарова и Тамма признаются пионерскими. Дальнейшие исследования продолжались под руководством Л.А. Арцимовича. Вот какими словами писали об этом в СССР около десяти лет назад (в более поздних изданиях фамилия "Сахаров" отсутствует): "Курчатов рассказал английским слушателям об оригинальнейшей идее, выдвинутой в 1950 году советскими академиками А.Д. Сахаровым и И.Е. Таммом, — использовать для теплоизоляции плазмы магнитное поле…" (из книги П.А. Асташенкова "И.В. Курчатов", М. 1967).

А вот отрывок из книги И.Н. Головина "И.В. Курчатов" (М., издания 1967 и 1972 гг., стр. 81-82) . Разговор И.В. Курчатова со своим заместителем (фамилия заместителя в книге не названа) в новогодний вечер 31 декабря 1950 года:

Заместитель: "Игорь Васильевич! МТР — ведь это величайшая проблема по освобождению внутриядерной энергии! Первую проблему Вы успешно решили. Никто уже не сомневается, что атомная электростанция будет работать за счет деления урана. Сахаров поднял нас на решение второй, не менее величественной атомной проблемы двадцатого века — получения неисчерпаемой энергии путем сжигания океанской воды! Эта задача, решению которой не жаль отдать всю свою жизнь".

Курчатов остановился. Лучистая улыбка осветила его лицо. "Вы увлекающийся, молодой человек! Говорите — великая проблема!.. " Лицо его стало серьезным: "Да… Проблема великая… Проблема человечная". Курчатов вновь зашагал, поглаживая бороду. — "Проблема величайшая! А как вы будете создавать горячую плазму?"

— Не ясно.

—Очень не ясно! Да-с, молодой человек, очень не ясно.

— Но в этом и состоит основная задача.

Курчатов с присущей ему настойчивостью начал детально обсуждать, как можно получить плазму и нагреть ее. С увлечением рассказал, как Сахаров предложил создавать плазму индукционным способом, надев на тороидальную камеру железный сердечник с первичной обмоткой… Уже через несколько месяцев во главе с Арцимовичем работала созданная Курчатовым лаборатория, насчитывающая до ста сотрудников. Возглавлял теоретические исследования М.А. Леонтович.

Одним из результатов многолетних усилий большого коллектива советских ученых была система, известная под названием "токамак". Эта система наиболее близка к первоначальным идеям Сахарова и Тамма, рассмотревших, в частности, тороидальную конфигурацию в стационарном и нестационарном вариантах. Сегодня она считается одной из наиболее перспективных.

"В настоящее время перспективы представляются лучшими, чем когда-либо прежде; несколько лет назад русские экспериментаторы изобрели установку, называемую "токамак"… Эта установка сравнительно успешно была воспроизведена в США", — писал в 1976 году Ганс А. Бете (3).

"Наиболее остроумным и многообещающим способом был так называемый "токамак", предложенный в СССР", — П.Л. Капица, Нобелевская лекция 1978 года (4).

Весьма полная картина современного состояния проблемы управляемого термоядерного синтеза дана заместителем директора отдела термоядерных исследований Департамента энергии США Дж. Ф. Кларком в обзоре, написанном в декабре 1979 года для журнала "Физика плазмы" (5). Приведу некоторые выдержки из этого обзора:

"Последние результаты экспериментов, выполненных в США, СССР, Европе и Японии, показывают, что "токамак", один из возможных подходов в синтезе, может удерживать термоядерную плазму, необходимую для создания энергии, достаточно хорошо."

"Не существует фундаментальных технических препятствий для практического производства энергии управляемого термоядерного синтеза на основе научного успеха "токамаков".

"Мы одобряем совместное планирование исследований на крупнейших "токамаках" мира, строящихся в настоящее время: Т-15 в СССР, JT-60 в Японии, JET в Европе и TFTR в США. Эти усилия должны подготовить фундамент для следующего шага — перевода термоядерной программы на стадию инженерных разработок. Возможно, это произойдет в начале 1981 года."

Сахаров занимался также принципиально иным, альтернативным методу магнитной изоляции и удержания плазмы, направлением исследований, связанных с использованием лазера. В своей краткой автобиографии А.Д. Сахаров пишет: "В 1961 году я предложил для тех же целей (получения управляемой термоядерной реакции — Б.А.) нагрев дейтерия лучом импульсного лазера". ("Сахаров о себе", Нью-Йорк,1974). Эта идея возникла независимо в разных странах и сейчас интенсивно разрабатывается как в СССР, так и за рубежом.

Поясним несколько подробнее физическую сущность и значение управляемого термоядерного синтеза.

При слиянии двух ядер дейтерия или ядер дейтерия и трития образуются изотопы гелия и быстрые нейтроны. Положительный выход энергии обусловлен уменьшением общей массы покоя реагирующих частиц — в соответствии со знаменитым соотношением Эйнштейна E=mc². Для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились до расстояния действия ядерных сил, но этому препятствует электростатическое отталкивание, для преодоления которого требуется достаточно большая кинетическая энергия теплового движения ядер. Таким образом, для осуществления термоядерной реакции нужна начальная температура зажигания. В водородной бомбе в качестве запала применяется атомная бомба. В случае управляемого термоядерного синтеза необходимый начальный разогрев можно в принципе получить путем создания в дейтериевой или дейтерий-тритиевой плазме мощных электрических разрядов. При этом главная проблема — удержать эту "молнию" в течение времени (несколько секунд), необходимого для разогрева плазмы до температуры зажигания термоядерной реакции. Необходимо также, чтобы энергия, выделяемая при синтезе ядер, была больше энергии, затрачиваемой на нагревание плазмы: только в этом случае можно сказать, что "дрова разгорелись".

Никакие стенки из вещества для удержания плазмы не годятся, так как при столь высокой температуре они сразу же превратятся в пар. Единственно возможным является метод удержания горячей плазмы в ограниченном объеме с помощью очень сильных магнитных полей. Плазма — это газ электрически заряженных частиц, траектория движения которых под действием магнитного поля искривляется. Выбором определенной конфигурации внешнего магнитного поля, с учетом "Пинча" (самосжатия плазменного шнура собственным магнитным полем), можно надеяться предотвратить разлет плазмы на стенки. Главная возникающая трудность — неустойчивость плазменного шнура. Есть и другие трудности, как, например, разрушение стенок реактора нейтральными атомами, которые всегда в небольшом количестве присутствуют в плазме и которые, очевидно, магнитным полем не удерживаются. Вместе с тем возникающие проблемы скорее технологического, а не принципиального характера.

В качестве долговременных можно использовать три источника энергии: солнечную, атомную и термоядерную. Недостаток Солнца — низкая плотность энергии. Проблемы АЭС — необходимость захоронения радиоактивных отходов, а главное — опасность неконтролируемого распространения в мире атомного оружия. Термоядерный синтез значительно безопаснее и в отношении "шлаков", и в отношении "атомных террористов". Миллионы тонн дейтерия содержатся в водах Мирового океана. Свободного трития в природе практически нет, но его можно воспроизводить в самих термоядерных реакторах из лития (при взаимодействии нейтронов с ядрами лития образуются гелий и тритий). Таким образом, единственный недостаток управляемой термоядерной реакции в том, что она до сих пор не осуществлена.

В настоящее время в научных лабораториях многих стран ведутся широкие исследования различных вариантов решения проблемы управляемой термоядерной реакции. После лекции И.В. Курчатова в Харуэлле, которая произвела огромное впечатление во всем мире, исследования по управляемой термоядерной реакции велись открыто и в тесном международном сотрудничестве. Они явились образцом всей системы международного сотрудничества, сложившейся в 50-70-х годах и поставленной под удар известными событиями последних лет, в их числе осуждением Ю.Ф. Орлова и высылкой А.Д. Сахарова.

14 сентября 1981 года в Москве откроется X-я Европейская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Возможна ли такая конференция без участия основоположника всего направления — академика Сахарова? Беззаконное задержание Сахарова придает этому вопросу исключительную остроту. Кроме того, должно быть известно, что председатель советского оргкомитета конференции академик Велихов неоднократно за последний год игнорировал просьбы Сахарова о помощи.

2. Взрывомагнитные генераторы

В 1951-52 годах А.Д. Сахаров предложил принцип использования энергии взрыва для получения сверхсильных магнитных полей и сверхсильных токов. Этот принцип основан на сохранении магнитного потока и увеличении энергии магнитного поля при быстром взрывном деформировании металлических контуров с током, в частности, при кумулятивном схлопывании полых металлических цилиндров (отсюда название — магнитная кумуляция, МК). Эти предложения Сахарова и результаты осуществленных по его инициативе исследований были опубликованы в 1965-66 годах (6,7). В этих публикациях сообщается о получении рекордного магнитного поля 25 млн. гаусс (т.е. плотность энергии в миллион раз больше, чем в хорошем постоянном магните). В 60-е годы появились также многочисленные зарубежные публикации на ту же тему. Сахаров пишет: "Областью применения генераторов МК является решение таких проблем физики и техники, как, например, создание сравнительно малогабаритных ускорителей заряженных частиц однократного действия на высокие энергии (100-1000 Бэв), получение и изучение плотной высокотемпературной плазмы, ускорение плотных образований до скоростей в сотни и тысячи километров в секунду, что необходимо для решения некоторых задач астрофизики (достижения в лабораторных условиях звездных температур и давлений), физики ударных волн, исследования уравнений состояний и свойств веществ при сверхвысоких температурах и давлениях, изучения действия на обшивку космических кораблей метеоритов и т.д.

Открываются перспективы исследований электрических, оптических и упругих свойств различных веществ в таких магнитных полях, которые были раньше практически недостижимы."

В работах Сахарова и соавторов дается описание двух наиболее характерных взрывных генераторов: МК-1 (сжатие аксиального магнитного поля) и МК-2 (вытеснение магнитного поля из соленоида и последующее его сжатие стенками коаксиала).

Наипростейшей, с теоретической точки зрения, является система МК-1. — Внутри полого металлического цилиндра за счет импульса тока в соленоидальной обмотке создается магнитное поле. Снаружи цилиндра коаксиальный слой заряда взрывчатого вещества (ВВ). В этом заряде возбуждается сходящаяся цилиндрическая ударная волна. Момент взрыва выбирается так, чтобы сжатие цилиндра началось в момент максимального тока в соленоидальной обмотке, т.е. в момент максимального начального магнитного поля. Скорость сжатия стенок цилиндра свыше 1 км/сек; остановка движения происходит из-за противодавления магнитного поля. Величина магнитного поля обратно пропорциональна площади поперечного сечения цилиндра, поскольку магнитный поток в цилиндре остается постоянным. Это основано на явлении электромагнитной индукции: при движении цилиндра в радиальном направлении в его стенках возникают индукционные токи, которые, подчиняясь известному "правилу Ленца", стремятся не выпустить поле из внутренней области. При начальном поле в 30 тысяч гаусс уже в первых опытах было достигнуто поле в 1 млн гаусс, что соответствует уменьшению радиуса цилиндра примерно в шесть раз.

"Генератор МК-2 представляет особый интерес для получения сильных токов и очень больших энергий магнитного поля (с превращением в энергию магнитного поля до 20% энергии ВВ, при относительно высоких значениях магнитного поля до 2 млн. гаусс)."

"Практическое осуществление систем МК-2 с высокими характеристиками потребовало длительных исследований большого коллектива, которые в основном были закончены в 1956 году (первая конструкция генератора МК-2 создана в 1952 году, в 1953 году получены токи в 100 млн. ампер)."

Применение генераторов МК-2 для создания очень высоких начальных полей в генераторе МК-1 позволило получить сверхсильное магнитное поле в 25 млн. гаусс.

Магнитное поле оказывает давление на любую преграду, за которую не может проникнуть. Это давление магнитного поля можно использовать для всестороннего обжатия образца и изучения свойств различных веществ при сверхвысоких давлениях в условиях адиабатического сжатия, т.е. без ударного разогрева до десятков тысяч градусов. В некоторых новейших советских и американских публикациях сообщается о достижении методом МК давлений в несколько миллионов атмосфер при температуре образца не более 300 градусов Цельсия. Таким образом были изучены свойства кварца, корунда, а также водорода в попытке получить его в металлическом состоянии.

     ЛИТЕРАТУРА

1. Академик И.В. Курчатов. "О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде", Москва, 1956 год.

2. А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм. "Теория магнитного термоядерного реактора", в сб. "Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций", под ред. М.А. Леонтовича, Москва, 1958 год, т. 1. (Примечание: работа выполнена в 1951 году.)

3. Г. Бете. "Необходимость ядерной энергетики", "Успехи физических наук", 1976 год, т. 120, выпуск 3. (Перевод из журнала "Сайентифик Америкен", том 234(1), 1976 год.)

4. П.Л. Капица. "Плазма и управляемые термоядерные реакции", "Успехи физических наук", 1979 год, т. 129, вып. 4.

5. Дж. Ф. Кларк. "Следующий шаг в термоядерном синтезе: что это такое и как его делать", "Физика плазмы", 1980 год, т. 6, вып. 6.

6. Акад. А.Д. Сахаров, Р.З. Людаев, Е.Н. Смирнов, Ю.Н. Плющев, А.И. Павловский, В.К. Чернышев, Е.А. Феоктистова, Е.И. Жаринов, Ю.А. Зысин. "Магнитная кумуляция", "Доклады Академии наук (ДАН) СССР", 1965 год, т. 165, № 1.

7. А.Д. Сахаров. "Взрывомагнитные генераторы", "Успехи физических наук", 1966 год, том 88, вып. 4.