Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Тут появляется третья идея: атомную «бомбу-зажигалку», надо помещать не внутри, а снаружи, но так, чтобы она приводила к нужному сжатию и нагреву. В отличие от первоначальной трубы, сжатие (точнее, обжатие) и нагрев должны быть всесторонними. Как этого добиться?

Повторим: для равномерного обжатия термоядерного объекта давление должно одновременно включаться со всех сторон, но при взрыве «зажигалки» разлетающиеся частицы, как бы ни ставить отражатели, скорее, достигнут ближней части объекта и вместо взрыва разнесут его в клочья. Значит, нужно предельно уменьшить разницу времен подхода, а этого можно добиться только и только, если сжимать будут не частицы, а… свет! Для этого нужно сделать оболочку в виде эллипсоида вращения (его сечения, эллипсы, научился рисовать юный Максвелл, по эллипсам, согласно законам Кеплера, вращаются планеты вокруг Солнца). Эллипсы обладают таким замечательным свойством, которое, несомненно, знали Сахаров и Зельдович: если в один из двух фокусов поместить светящийся объект, то все лучи, отраженные от стенок, соберутся во втором фокусе, причем все они дойдут до второго фокуса одновременно!

Заметим, что позже конструкции водородных бомб были усовершенствованы, габариты их уменьшены настолько, что они устанавливаются на ракетах. Разработаны также так называемые нейтронные бомбы, не содержащие урановой оболочки и поэтому не создающие долгоживущего радиационного фона, они, вместо соединений лития, содержат тритий и дейтерий, могут использоваться в артиллерии и решать тактические, а не стратегические задачи.

Итак, бомба должна быть эллипсоидом, в фокусах которого находятся запал и объект, нужно только поставить между ними перегородку, задерживающую более ранний подход прямых лучей. Идея завершена, нужно всего лишь ее как следует рассчитать и воплотить в металл, как говорят конструкторы.

В 1950 г. в Москву на имя Сталина поступило с Сахалина письмо от солдата Олега Александровича Лаврентьева, в котором были изложены основные идеи создания водородной бомбы. И хотя у автора было всего семиклассное образование, его идеи были оригинальны, а некоторые даже предвосхищали дальнейшие разработки. 0. Лаврентьев был вызван в Москву, его зачислили на физический факультет, предоставили кураторов по всем предметам, вход в лаборатории, специальную стипендию, но большим ученым он так и не стал, оставшись своеобразной психологической загадкой.

Трудности, которые при этом возникают, конечно, громадные, нужно еще много и много думать, делать и переделывать; над воплощением проекта работает множество людей, физиков — теоретиков и экспериментаторов, химиков, взрывотехников, инженеров, техников (их называют, на немецкий лад, файн-мастерами, т. е. тонкими, особо ловкими) и т. д. Но 22 ноября 1955 г. первая в мире водородная бомба сброшена с самолета — испытания прошли успешно!

Еще до того США испытали 1 ноября 1952 г. на атолле Эниветок неподъемное расположенное на земле термоядерное устройство, сконструированное Э. Теллером. Аналогичное устройство Сахарова было испытано в СССР 12 августа 1953 г. Самая мощная по сей день бомба в истории, разработанная под руководством Сахарова, эквивалентная 50 Мт ТНТ (миллионам тонн тринитротолуола), была взорвана в атмосфере 30 октября 1961 г.[36].

Реакции ядерного синтеза обладают, по крайней мере, двумя преимуществами перед реакциями деления. Во-первых, исходными продуктами для них может служить если не водород, то дейтерий, а запасы его на Земле, в отличие от запасов урана, неограниченны. Во-вторых, продукты синтеза, в отличие от радиоактивных отходов деления, слабо или совсем не радиоактивны, т. е. исчезает не решенная до сих пор проблема их захоронения.

Поэтому одновременно с разработкой оружия начались исследования возможностей термоядерной энергетики. Первая же проблема, которая возникла, состояла в том, как и где хранить вещество, точнее, плазму заряженных частиц, разогретых до температур, приближающихся к миллионам градусов. (Напомним, что самое термостойкое вещество на Земле остается твердым примерно до 5000. градусов.)

И это была первая проблема, которую еще до работы над бомбой решил А. Д. Сахаров: нужен сосуд, в котором нет материальных стенок, но который не выпустит наружу заряженные частицы. Эту задачу могут выполнить только силовые линии Фарадея — нужно так подобрать магнитные поля, чтобы они заворачивали назад все приближающие к ним заряды — вот вам и сосуд без стенок! Такие «сосуды» назвали магнитными бутылками. Но в любой бутылке есть еще горлышко и дно — через них заряды могут убегать…

Тогда, предложил Сахаров, сделаем сосуд без горлышка и дна — завернем его в тор, т. е. в бублик. Такой ядерный реактор назвали токамак (сокращение от «Тороидальная КАмера с МАгнитной Катушкой», одно из немногих русских слов, вошедших — наряду со словом «спутник» — во все языки мира).

Схожие устройства создаются во многих лабораториях. И если в 1965 г. токамак работал не более одной десятимиллионной секунды, то уже к 1991 г. длительность его работы на смеси дейтерий-тритий дошла до двух секунд, а температура в нем достигла 200 миллионов градусов. Физики уверены, что они в этих исследованиях на правильном пути — нужно терпение, работа и… финансирование. (Стоимость большого токамака, который строят вместе США, Россия, Европейское сообщество и Япония, — порядка 10 миллиардов долларов, но перспективы столь грандиозны, что затраты могут очень быстро окупиться в случае ожидаемого успеха.)

А существуют ли другие возможности для развития термоядерной энергетики?

В 1947 г., как мы говорили, Пауэлл обнаружил в космических лучах след мезона, который затем превращался в чуть более легкую частицу, но не протон и не электрон. Пауэлл решил, что первоначальная частица — это пи-мезон, предсказанный Юкавой переносчик ядерных взаимодействий. Он, по-видимому, превращался в несколько более легкий мю-мезон, тот самый, который еще в 1937 г. нашел К. Андерсон. Поэтому возник вопрос: как они соотносятся друг с другом? (Доказательство справедливости его предположения о распаде пи-мезона на мю-мезон и нейтрино было установлено позже.) Поскольку вопрос оставался дискуссионным, С. Франк в том же 1947 г. опубликовал маленькую заметку о том, что, возможно, самая первая частица, найденная Пауэллом, — это все тот же мю-мезон, но севший на место электрона в атоме.

Сахаров заинтересовался этой заметкой и рассмотрел такую возможность: масса мю-мезона в 207 раз больше массы электрона, значит, радиус мю-мезоатома будет в 207 раз меньше радиуса водорода с обычным электроном на орбите. Поэтому мю-мезоатом как нейтральное образование может так близко подойти к ядру другого атома, что начнется реакция синтеза — и все это при нормальной температуре. Более того, сам мю-мезон в такой реакции не участвует, поэтому он может, сблизив два ядра, полететь дальше и снова привести к такой же реакции. Таким образом, эта частица может играть роль катализатора реакции (от греческого «катализис» — разрешение), но недолговечного — время жизни мюона длится около двух миллионных секунды. Этот процесс Сахаров назвал мю-мезонным (или мюонным) катализом, и с тех пор он интенсивно изучается: планируется, в принципе, строить специальные ускорители, так называемые мезонные фабрики, энергия для которых будет вырабатываться в ходе самой каталитической реакции.

Проблема управляемых термоядерных реакции столь важна, а решение ее столь многообещающе, что время от времени появляются сообщения об их наблюдении в самых экзотических условиях. Так, в начале 1990-х гг. два исследователя сообщили, что они наблюдают такую реакцию при накачке кристалла чистого металла палладия дейтерием: между узлами кристаллической решетки палладия как раз помещаются атомы дейтерия, и, по уверению авторов, они так сближаются, что начинается синтез гелия. К сожалению, это наблюдение не подтвердилось — возможно, авторы были вполне искренни, но у них что-то случилось с аппаратурой.

В конце 1990-х гг. появились новые сообщения. При прохождении мощной ультразвуковой волны через воду в ней, как известно, возникают пузырьки — это явление кавитации. Затем эти пузырьки схлопываются, иногда с грохотом, что говорит о сильном давлении, возникающем в них, — вот это давление, по мнению авторов статей, и приводит к термояду, следы которого они как будто наблюдали. Но и эта сенсация, увы, не подтвердилась.

Еще одна возможность, тоже впервые рассмотренная Сахаровым, — это нагрев малых количеств ядерных реагентов одновременными импульсами мощных лазеров. Лазерный термояд также продолжает исследоваться.

Глава 4