В поисках чуда (с илл.)
Шрифт:
В 1965 году академик Андрей Николаевич Колмогоров и его молодой сотрудник Владимир Арнольд были удостоены Ленинской премии за решение математической проблемы, которая имеет прямое отношение к физике вообще и к ядерной в частности. Речь идет об устойчивости замкнутых механических систем типа солнечной. Метод исследования, разработанный Колмогоровым и Арнольдом, позволил доказать: да, вполне возможно создание термоядерной ловушки, где облачко плазмы, изолированной от стенок, будет удерживаться длительное время.
Сделано многое, но еще больше предстоит сделать впереди, чтобы приблизить новый грандиозный триумф человеческого разума.
— Если удастся добиться плотности в десятки триллионов частиц на кубический сантиметр,
Оказалось, что можно не просто обезвреживать неустойчивости, но и заставлять их делать доброе дело!
Плазма — чрезвычайно своеобразная субстанция.
От обычного газа она отличается тем, что ее частички заряжены и потому особенно неравнодушны друг к другу, откликаются на малейшие электрические и магнитные воздействия. Но если парные взаимоотношения (например, столкновения) частиц целиком определяют собой свойства газа, то здесь они не играют практически никакой роли. Зато дают себя знать коллективные взаимодействия, когда отдельные скопища ионов или электронов, плазменные сгущения и разрежения выступают как единое целое и активно влияют друг на друга.
Этими явлениями увлекся молодой сотрудник Института ядерной физики (Новосибирск) Р. 3. Сагдеев, ныне член-корреспондент АН СССР. В 1962 году, в тридцатилетнем возрасте, он защитил докторскую диссертацию. Темой для нее он избрал свои теоретические изыскания, согласно которым ударные волны (они несутся со сверхзвуковой скоростью, вызывая сильное сжатие среды) могут возникать и распространяться в разреженной плазме, несмотря на то, что она представляет собой эфемерное, неощутимо бесплотное облачко. Могут, ибо она обладает вполне достаточной упругостью, обусловленной ее специфическими свойствами. Но самое интересное в том, что ударная волна, обычно такая устойчивая, долго не затухающая, здесь, в условиях коллективных взаимодействий, подвержена неустойчивости, способна расплываться, «угасать», даже опрокидываться подобно морскому валу, когда над ним вырастает пенный гребень, загибающийся вперед, а затем падающий к подножию водяного холма. Но, умирая, она передает свою мощь частицам, переводит их потоки, коллективные смещения в беспорядочную суету. На эту особенность обратил внимание академик Е. К. Завойский. Ведь хаотизация плазмы не что иное, как ее разогревание!
В то же время действие сверхбыстрой ударной волны настолько скоротечно, что, задав электронам и ионам хорошую «встряску», разгорячив их, оно не успеет разрушить облачко, хотя и вызовет в нем мимолетные неустойчивости. Именно так — мгновенными мощными импульсами магнитного и электрического поля — в лаборатории Завойского было осуществлено турбулентное нагревание плазмы. Температура ядер поднималась до 30 миллионов градусов, а электронов — до 2 миллиардов!
В наши дни четвертое состояние вещества подвергнуто тщательному теоретическому анализу. Основой расчетов здесь служит знаменитое «уравнение Власова», названное по имени советского ученого, профессора МГУ. В изучении коллективных взаимодействий и неустойчивостей большая заслуга принадлежит харьковчанам Я. Б. Файнбергу и его коллегам.
Интересно: один из двух главных эффектов, к которым сводятся почти все виды неустойчивостей (а их около двадцати), был открыт еще в 1934 году молодым аспирантом профессора С. И. Вавилова Павлом Черенковым. Речь идет об особом свечении, которое испускал электрон, пронизывая какую-то среду.
И. Е. Тамм и И. М. Франк подметили, что скорость электрона при этом превосходила световую.
Разумеется, не в пустоте, а именно
Свет в любом твердом, жидком и газообразном (прозрачном) теле распространяется медленнее, чем в абсолютном вакууме. Скажем, в воде он сбавляет свою скорость на четверть. Между тем весьма энергичные электроны в той же среде способны двигаться заметно быстрее: их «темп» порой лишь на десятую долю меньше, чем у того же света в пустоте. И если в вакууме ни одна частица не способна нестись наравне с фотоном, то здесь электрон берет реванш.
Потому-то он и порождает электромагнитные волны, даже если двигается равномерно и прямолинейно. (В других случаях такая возможность исключена. Скажем, в пустоте электрон излучает кванты только тогда, когда он меняет скорость или направление.)
Ситуация напоминает полет артиллерийского снаряда со сверхзвуковой скоростью. Фронт звуковых волн от него имеет форму конуса: сбоку он схож с «усами», разбегающимися по реке от носа катера.
Неспроста мины (реактивные самолеты, ракеты тоже) «воют». По аналогии с ними черенковские электроны получили прозвище «поющих». Кстати, это электромагнитное «бельканто» тоже принимает коническую форму — наподобие светящегося колокола.
Излучение Вавилова — Черенкова легко видеть невооруженным глазом: вода, служащая замедлителем в ядерных реакторах, пронизывается потоками быстрых бета-частиц и вся охвачена голубоватым сиянием.
Плазма несравненно «жиже», чем вода и даже воздух. Тем не менее и в ней проявляется описанный эффект. Излучение быстрых электронов возбуждает в ней колебания, коллективные движения. Изучая этот интересный механизм, Я. Б. Файнберг выяснил природу многих неустойчивостей и наиболее благоприятные условия, в которых они возникают при взаимодействии электронных и ионных пучков с плазмой в магнитном поле. Он подсказал, как их преодолевать, а при случае — использовать.
«Современный уровень термоядерных исследований, — пишут советские ученые И. Н. Головин, Б. Б. Кадомцев и В. Т. Толок в сборнике „Советская атомная наука и техника“, выпущенном к 50-летию Октября, — можно иллюстрировать следующими результатами: на установках „Токамак“ при плотности плазмы 1013 см– 3 (10 триллионов частиц в кубическом сантиметре. — Л. Б.) в объеме нескольких сотен литров удается повысить температуру ионов до 1 миллиона градусов Цельсия при времени жизни в несколько миллисекунд. На других установках более высокие температуры и плотность одновременно удавалось до сих пор получать лишь на более короткие промежутки времени, а температуру в сотни миллионов и даже миллиарды градусов и время удержания плазмы порядка секунды — только при очень низкой плотности плазмы».
В одних случаях удалось перешагнуть температурный рубеж, за которым начинается термоядерная реакция, в других увеличить плотность ионно-электронного сгустка и срок его жизни или заметно удлинить быстротечный век плазмы. Но пока ни в одной лаборатории мира еще не научились получать плазму с необходимой концентрацией, энергией и устойчивостью — не порознь, а одновременно. И все же достигнутые результаты настолько значительны, что вселяют уверенность в окончательном успехе.
Впрочем, исследования в области термоядерного синтеза уже принесли плоды — в иных областях обширной нивы знаний. В 1967 году группой ученых и инженеров под руководством академика В. А. Кириллина и члена-корреспондента АН СССР А. Е. Шейндлина пущен опытный магнитогидродинамический генератор. В нем тепловая энергия горючего газа преобразуется прямо в электрическую: ток снимается электродами, введенными в струю пламени (плазма!), которая пронизывает магнитное поле. Со своей стороны, другие науки идут на подмогу термоядерникам.