Вот как выглядели эти установки. Камеру, в которой должна идти термоядерная реакция, выполнили из изоляционного материала в виде полого цилиндра с электродами в торцах. На них и подавалось напряжение.
Для получения сильного электрического тока применили большую батарею конденсаторов. При быстром ее разряде можно получать ток очень большой силы.
Скажем, если накопить всего 0,1 киловатт-часа и разрядить в несколько миллионных долей секунды, то потечет ток такой силы, что разовьет мощность в разряде, равную примерно 100 миллионам киловатт.
Итак, есть камера-цилиндр и источник электроэнергии. Можно начинать эксперимент. Создается вакуум, и цилиндр заполняется азотом. Почему этим элементом?
Это вызвано соображением осторожности. Хотя теория и предсказывает, что при заполнении камеры дейтерием ничего страшного не должно произойти, все же, поскольку речь идет о термоядерной реакции, лучше сначала сделать пробу на азоте.
Электрическая энергия накоплена. Разряд! Вспышка света! Взрыв! Нет, цилиндр не разорвался, только разряд был эффектным, подобным взрыву. Все произошло так, как и предполагали теоретики. При протекании тока образовалась плазма. Магнитное поле сжало ее в плазменный сверкающий шнур.
Опыт повторяется. Затем проводится третий, четвертый… и каждый раз меняются условия проведения эксперимента. Наконец можно ввести в камеру и термоядерное сырье — дейтерий. Реакция может пойти и при взаимодействии одних его ядер. Вводить радиоактивный элемент тритий пока нежелательно: обеспечение безопасности слишком усложнит эксперимент.
Снова разряд, вспышка, оглушительный выстрел, опять плазменный шнур. И что же? Была ли термоядерная реакция? Как определить это простейшим образом?
Высвободилась ли в результате реакции энергия?
Мы еще не говорили, в каком виде она в такой реакции выделяется; очевидно, что в форме кинетической энергии новых элементов, образующихся при синтезе. Например, в случае реакции дейтерия с тритием — это должен быть атом гелия с энергией 3,5 Мэв (1,7∙10-19 кВт ч). Об этой энергии, которую несут продукты синтеза, шла речь выше, когда мы говорили о мощности, выделяемой в объеме плазмы. За счет ее и должна поддерживаться температура. Однако в первых лабораторных опытах она могла быть (в действительности так и было) очень малой, настолько малой, что ее невозможно было обнаружить на фоне той энергии, которая вводилась в плазму электрическим разрядом. Но, кроме новых ядер, при синтезе дейтерия и трития освобождается еще и нейтрон с гораздо большей энергией, равной 14 Мэв (6,8∙10-19 кВт ч).
В реакции синтеза дейтерий — дейтерий (Д — Д) также освобождаются нейтроны. Наличие этих частиц при разряде говорит о протекании в камере термоядерной реакции, и остается лишь их обнаружить. Задача эта не такая уж сложная, поскольку для определения этих частиц существуют специальные приборы высокой чувствительности.
Итак, в очередной раз в камере с дейтерием производится электрический разряд, и приборы регистрируют нейтронный импульс!
Неужели все так просто? Обычный газовый разряд — и термоядерная реакция синтеза в наших руках!
Физикам, воодушевленным этой удачей, казалось, что они на пороге овладения термоядерной реакцией. Да и действительно трудно не воодушевиться в такой ситуации. «Вперед, к еще более мощным приборам и установкам», — стали дружно призывать физики-оптимисты.
«Не слишком ли просто и легко дается решение такой сложной проблемы? Нет ли здесь незамеченной ошибки?» — осторожно возражали более осмотрительные их коллеги. Постепенно разгорались дебаты. Попробуем вникнуть в их суть. Но условимся не считать тех и других хорошими или плохими. Дело в том, что в науке возникает так много тупиковых проблем и идей и так много исследований дают отрицательные результаты, что сказать сразу, что лучше — оптимизм или пессимизм, почти невозможно. А теперь послушаем, о чем же идет разговор.
П. (пессимист). У меня нет никакой уверенности, что эти нейтроны возникли действительно в результате термоядерной реакции.
О. (оптимист). Почему?
П. Потому что нейтроны могут образоваться и в результате какого-либо другого процесса.
О. Какого именно?
П. Сами ионы дейтерия могли быть ускорены под действием приложенной разницы потенциалов и соударяться с ионами дейтерия, прилипшими к стенкам камеры или к электродам. Тогда нейтроны не результат термоядерной реакции, то есть общего разогрева плазмы, а следствие процесса ускорения.
О. Да, но тогда источники нейтронов располагались бы вблизи электродов, как это бывает в обычном процессе ускорения, а не оказались бы равномерно распределенными по всему объему.
П. Это правильно, но давайте еще раз проверим на опыте.
Ставился очередной опыт, и он снова показывал, что источники нейтронов распределены по всему объему плазмы и часто вылетают из ее центра. Но пессимист не успокаивался.
П. Но ведь количество нейтронов, наблюдаемое нами, чересчур велико для тех температур, которые возникают в таком разряде!
О. Так это просто замечательно! Значит, будет проще осуществить термоядерный реактор!
П. А как быть с теорией, устанавливающей строгую зависимость образования нейтронов от температуры плазмы?
О. Теорию придется подправить. Ведь мы обнаружили, что ускорительного процесса нет!
Под «давлением» пессимистов вновь один за другим ставились опыты. Оказалось, что победили сомнения пессимиста. Нейтроны возникали действительно в результате ускорительного процесса, но не совсем обычного.
Чем же было вызвано появление большого количества нейтронов при сравнительно низких температурах плазмы?
Обнаружилось, что плазменный шнур во время разряда подвержен целому ряду различных неустойчивостей. К примеру, он как будто внезапно перетягивался поперек сечения, являя собой очень тонкую нить. В момент появления такой перетяжки именно здесь возникал огромный осевой электрический потенциал, во много раз превышавший напряжение, приложенное к электродам цилиндра. Под действием этого потенциала и происходило ускорение отдельных ионов дейтерия и рождение нейтронов, которые, конечно же, не были термоядерными. Впоследствии их назвали нейтронами неустойчивости, или ложными.
Так, или приблизительно так, были сделаны первые шаги в освоении УТС на установках Института атомной энергии, где в 1952 году были зарегистрированы эти первые лженейтроны.
В тот же период подобные опыты по самосжатому разряду проводились в Англии.
В США для экспериментов в Лос-Аламосской лаборатории У. Так создал камеру в виде бублика-тора, заполненного газом. При разряде конденсаторной батареи через катушку, надетую на этот тор, внутри его индуцировался ток в десятки тысяч ампер.
Один из скептиков, услышавший, каких результатов хотят добиться с помощью этого устройства, назвал его в шутку «импоссиблитроном» (Impossiblytron), то есть невозможнотроном. Тогда У. Так, отвечая ему и желая отразить свой оптимизм в названии, нарек первую экспериментальную модель «перхэпсатроном» (Perhapsatron), то есть возможнотроном. С таким названием эта установка и вошла в историю борьбы за управляемый термоядерный синтез.
Так первые идеи, первые эксперименты, первые радости и разочарования породили первые неожиданности.
Главной была неустойчивость — этот бич плазмы. Первая атака на нее оказалась неудачной. Но, как разведка боем, она вскрыла много уязвимых мест плазмы, прояснила много ранее туманных вопросов, стала трамплином для дальнейшего развития теории…
Как видите, всего несколько страничек заняло описание экспериментов по самосжатому разряду. На чтение этих живых воспоминаний читатель потратил минуты.
В жизни на это ушли годы раздумий теоретиков, дни и ночи работы экспериментаторов, инженеров, техников, рабочих. Академик Л. Арцимович, руководивший тогда исследованиями УТС, и его сотрудники за эти работы были удостоены Ленинской премии.
Начался новый этап борьбы за управляемый термоядерный синтез.
МЕДЛЕННО? НЕТ, БЫСТРО!
Самое прекрасное, что мы можем испытать, — эта ощущение тайны.
Она есть источник всякого подлинного искусства и всей науки.
Альберт Эйнштейн
Взорвав водородную бомбу, человек осуществил термоядерный синтез. Оставалось выполнять главную задачу в термоядерной проблеме — научиться управлять этим процессом, контролировать скорость термоядерного взрыва.
Чтобы взять его под контроль, можно идти двумя путями. С одним мы уже познакомились. Его идея — замедлить течение реакции, растянуть ее во времени.
