Искусственное Солнце - Глеб Анфилов

Всем известна обыкновенная динамо-машина, где электрический ток рождается в проволочной обмотке якоря, вращающегося между неподвижными полосами магнита. Так вырабатывают ток достаточно высокого напряжения, но не слишком большой силы, ибо сильные токи в тонкой проволоке обмотки протекать не могут. Укорачивая обмотку якоря динамо-машины и делая ее более толстой, вы добьетесь увеличения силы тока. А если вместо обмотки якоря применить просто сплошной металлический диск? Тогда и получится униполярный генератор. Соединив центр вращающегося диска с краем, мы снимем максимальный ток.

Униполярный генератор Австралийского университета выглядит весьма солидно. Четыре его диска, сделанные из малоуглеродистой стали, весят по 19 тонн каждый. Они вращаются между полосами громадного магнита со скоростью 900 оборотов в минуту. Ток достигает миллиона ампер. Никакими твердыми контактами — щетками — снять его с дисков невозможно. Для этого приходится применять струи расплавленного металла натрия или сплава натрия с калием. Конструкторы генератора полагают, что каждый мощный импульс будет длиться не менее полусекунды. Это в тысячи раз дольше, чем в тороидальных установках, и в миллионы раз дольше, чем в прямых разрядных трубках, питаемых от батарей конденсаторов.

Немало мер «оздоровления» и укрепления плазменных разрядов изучают сейчас физики. И они твердо надеются на успех. Речь идет о конкретных путях подъема температуры этим способом до 15, даже до 25 миллионов градусов. Многое, очень многое, правда, еще предстоит проверить на опыте.

Однако всегда ли необходимы сами разряды?

5. ИСКУССТВЕННОЕ СОЛНЦЕ

Дорога к искусственному солнцу отнюдь не прямая, отнюдь не гладкая. Это скорее лабиринт, где нелегко отыскать верное направление, где часто попадаются провалы и тупики. Неудивительно поэтому, что поход искателей «звездной спички» разворачивается широким фронтом. Опыты с электрическими разрядами в плазме, о которых вы читали до сих пор, занимают лишь отдельный участок этого фронта.

При электрических разрядах плазма с неудержимой стремительностью движется и разогревается «на ходу». Именно движение плазменного ручья порождает те магнитные объятия, которые сдерживают поток частиц и сжимают его, повышая температуру. В бешено мчащемся потоке плазмы частицы как бы держатся друг за друга, и он сам себя укутывает в «пеленки» магнитного поля. Однако пеленки эти получаются довольно-таки жиденькими. Правда, кроме собственных магнитных сил, в разрядных камерах на плазму действуют и дополнительные поля, наложенные извне, — все эти «резинки» и «рессоры», о которых вы читали выше. Но они не играют основной роли в удержании и нагреве плазмы, а служат, по выражению Л. А. Арцимовича, всего лишь «лекарством» для борьбы с неустойчивостями.

В 1953 году советский физик Г. И. Будкер (ныне член-корреспондент Академии наук СССР) задумал освободить рыхлую, развалившуюся плазму от необходимости одеваться «на бегу» в самодельные слабенькие магнитные «пеленки». Ученый предложил попробовать задержать электрически заряженные частицы плазмы, устроив для них прочную и теплую магнитную постель. После этого можно без излишней торопливости, спокойно и мягко каким-либо способом извне воздействовать на плазму, с тем чтобы вызвать уже совсем спокойное ее термоядерное «горение».

Отметим сперва, что физики хорошо научились заранее заготавливать плазму. Для этого служат всякого рода плазменные источники, где плазма образуется с помощью газовых разрядов или, скажем, взрывов тонких проволочек, а затем «выплевывается» более или менее плотными струями или сгустками.

Есть высокочастотные генераторы, которые выбрасывают в пустоту баранки плазмы, будто завзятый курильщик— колечки табачного дыма. Дымовое колечко тут же расплывается в воздухе. А плазменная баранка, двигаясь в магнитном поле, быстро стягивается в довольно плотный комок. Заряженные частицы в нем стремительно несутся к центру, навстречу друг другу. Энергия столкновений частиц получается примерно такой же, как при нагреве до 20 миллионов градусов. Правда, время существования этого подобия сверхвысокой температуры ничтожно мало.

Плазменные «заготовки» физики умеют также сильно ускорять, «подгоняя» их электромагнитным полем. Скорость комков плазмы может быть доведена до сотен километров в секунду. И если резко затормозить, «схватить» такой быстро летящий сгусток, то энергия его движения перейдет в тепло.

Как же поймать плазму?

Воду горного потока можно замедлить и накопить, если выкопать в каком-то месте русла котлован. Подобный метод годится и для ручья плазмы. Только «котлован» здесь придется построить из... магнитного поля.

Когда электрически заряженная частица влетает в магнитное поле, она начинает двигаться не прямо, а по дуге окружности. Такое поле не замедляет и не ускоряет частицу, а лишь искривляет ее путь. «Завернув» в магнитном поле, частица затем вылетает из него и преспокойно продолжает свой прямой путь. Выходит, магнитное поле не захватывает частицу, а лишь отталкивает ее в сторону.

Теперь вообразите, что после того как частица попала в магнитное поле, мы притормозим ее полет. Энергия движения частицы уменьшится. Поле станет круче заворачивать ее, заставляя описывать спиральную траекторию. Спиральным сделается путь частицы и в том случае, если после влета ее в магнитное поле мы усилим это поле. Наконец, тот же эффект получается, когда заряженные частицы, попавшие в магнитное поле, каким-либо способом разбиваются на осколки. Как более легкие, осколки будут двигаться с меньшей энергией и тоже начнут описывать спиральные траектории.

В однородном магнитном поле с прямыми силовыми линиями пойманные таким образом частицы задержатся ненадолго. Двигаясь по путям, похожим на винтовые линии, они не соберутся в сгусток и быстро выберутся наружу. Значит, для захвата плазмы прямое поле не подходит.

Как же поступить?

Надо искривить поле.

Представьте себе, что с помощью обмоток, по которым течет постоянный ток, мы возбудили цилиндрическое магнитное поле, резко усиленное на концах. Структура его силовых линий напоминает волокна луковицы.

Получилось то, что физики называют «магнитной ловушкой». Это и есть «котлован» для накопления плазмы. Области же усиленного поля принято именовать «пробками».

Вот в таком «сосуде» захваченную плазму ненадолго задержать и собрать в сгусток уже удастся. Плененные частицы станут плясать в ней, отражаясь от стенок и пробок. Из упорядоченного движение частиц сделается хаотическим. Температура сгустка поднимется. Правда, через пробки плазма все-таки будет «вытекать» наружу. Но тем не менее ее можно даже успеть дополнительно нагреть. Каким способом?

Если усилить поле ловушки и протолкнуть внутрь одну из пробок, то плазма сожмется и нагреется, будто воздух под поршнем велосипедного насоса. Можно и растрясти плазму высокочастотным электромагнитным полем. Это тоже разогреет ее.

О поимке и разогреве плазмы путем раздробления (диссоциации) ее частиц в магнитной ловушке стоит сказать немного подробнее. Для этого способа годятся ионы молекул водорода, каждый из которых представляет собой пару связанных атомов (лишенных электрона). Молекулярные ионы надо сначала сильно разогнать в специальном ускорителе, а затем впрыснуть в ловушку. Там они будут сталкиваться с частицами холодной плазмы, заранее созданной в ловушке, с нейтральными атомами, друг с другом. И, когда из-за столкновений молекулярные ионы развалятся на части, оказавшись в магнитном плену, когда энергичное движение ускоренного потока частиц преобразуется в их беспорядочную толчею, температура плазмы поднимется поистине сказочно высоко. Как показывают расчеты, таким способом плазму можно раскалить до сотен миллионов, даже до миллиарда градусов!

Справедливости ради заметим, что здесь миллиард градусов — не так уж много. Его еле хватит на возбуждение самоподдерживающегося ядерного синтеза в смеси тяжелого водорода со сверхтяжелым. Чистый тяжелый водород в ловушке и при такой температуре не «загорится». Оказывается, из-за ухода частиц через пробки температура поджога незатухающей термоядерной реакции в магнитной ловушке гораздо выше, чем в надежно запертой плазме. Значит, надо стремиться крепче «закупорить» ловушку, что и пытаются сделать физики. Упомянем и о другой особенности подобных устройств: чем крупнее ловушка, тем легче в ней разваливаются и захватываются в магнитный плен впрыснутые молекулярные ионы. Отсюда вывод: размеры ловушки должны быть возможно большими.