книги из ГПНТБ / Остроумов Г.Н. Приручение Солнца [очерки]

Еще в начале тридцатых годов была открыта частица позитрон, во всем, за исключением знака заряда, сходная с электроном. Долгое время на «строительной площадке» позитрон был той деталью, которую никак нельзя' было разумно встроить в растущее здание теории. Подозрение физиков, что у каждой частицы есть свой двойник, сме­ нилось уверенностью лишь три года назад, когда был открыт протон с отрицательным зарядом — антипротон, а затем и антинейтрон.

Оказалось, если вспомнить еще раз о стройке, позит­ рон, антипротон и другие члены семейства античастиц должны послужить деталями для создания другого кор­ пуса, с архитектурой, симметричной тому сооружению, что уже многие годы возводится учеными.

Ныне физика античастиц — один из важных разделов науки о микрокосмосе. Античастицы, как и их двойники, исследуются при соударениях, но здесь есть особенностиВстреча частицы и античастицы ведет к их обоюдной гибели — аннигиляции, в результате которой образуются пи-мезоны и другие частицы, и их следы запечатлевают на фотографиях финалы этих маленьких трагедий. Но с ними связаны вполне оптимистические надежды, что когда-нибудь удастся применить в интересах человека энергию аннигиляции, в сотни раз большую, чем дает деление ядра.

Участники конференции познакомились с новыми данными о том, что происходит цри встречах античастиц с протонами, дейтронами, углеродом. Впервые увидели они фотографию, зарегистрировавшую не акт «смерти» антипротона, а таинство его рождения.

Несколько лет назад были обнаружены частицы, ко­ торые удивили физиков так же, как смутило бы, скажем, древних строителей киевской Софии прибытие на строй­ ку ящиков с электролампами. За этими частицами, об­ ладающими необычными свойствами, в физике утверди­

112

открытия его А. Беккерелем, дало начало всей атомной физике.

Нечто весьма новое обнаружилось в, казалось, хоро­ шо изученном бета-распаде, когда на него посмотрели взором, отточенным на таком тонком оселке, как «стран­ ные» частицы. Выводы, которые сделали ученые из ана­ лиза слабых взаимодействий, оказались столь сильными, что если и не разрушили весь фундамент современной физики, то, во всяком случае, крепко поколебали наши представления о свойствах пространства: родилось подо­ зрение, что в микрокосмосе оно несимметрично. Правда, теперь физики сумели справиться с этим осложнением; и мы уже не беспокоимся о том, что гримаса асимметрии исказит лицо микрокосмоса.

Широким фронтом наступает наука на тайны микро­ мира. Мощная техника, которой вооружены ныне лабо­ ратории, работающие на границе нашего знания приро­ ды, помогает ученым быстро двигаться вперед. В этом движении важную роль сыграли исследования, проведен­ ные на крупнейшем в мире ускорителе — синхрофазотро­ не Объединенного института ядерныхисследований, где в одном коллективе работают физики социалистических стран. Новыми данными обогатили науку эксперименты на дубненском сихроциклотроне и ускорителе Физиче­ ского института Академии наук. Наши физики — это ударный отряд на переднем крае науки.

Киевская конференция, как это мог заключить каждый наблюдатель, прошла в дружественной обста­ новке. Она показала хороший пример сотрудничества представителей трех десятков стран. Высокая энергия — такими словами можно определить тот творческий накал, которым отмечена была эта встреча ученых.

Киев, 1959 г.

ПРИРУЧЕНИЕ СОЛНЦА

Древний баснописец Эзоп по-своему оценил диалектику мира, объясняя людям, что каждая вещь содержит в себе равные доли добра и зла. Увы, нередко человеку

раньше, чем добро, попадало в руки злое начало. Солнце, которое наши предки обожествляли, дало уче­

ным пример непревзойденного по мощи источника энер­ гии. Но свое маленькое солнце на Земле человеку впер­ вые удалось воспроизвести в образе бомбы столь ужас­ ной, что наше гуманное государство вкладывает весь свой авторитет и свое влияние в призывы запретить ее.

Но оно щедро и широко организует поиск антипода злого солнца, который способен мирно трудиться на благо людям. Именно потому в Программе нашей партии одной из важнейших задач науки названо решение про­ блемы управления термоядерными реакциями.

Широта и щедрость. Их первый признак я обнаружил в том простом факте, что после беседы с одним из руко­ водителей Института атомной энергии им. И. В. Курча-^ това нам для осмотра лабораторий вызвали автомобиль/ То длинные и приземистые, как механические цехи, то высоченные, как судостроительные эллинги, здания лабо-

115

)эаторий института составили настоящий гороДок со сВбими магистралями и площадями, окаймленными зеленью. А может быть, институт больше похож на крупный за­ вод— завод открытий, который своим видом помогает осмыслить строки Программы, в которых говорится о слиянии науки с производством?

Первая остановка. Лаборатория, .где действует «Огра» — один из крупнейших аппаратов для исследова-( ния управляемых термоядерных реакций. Коридор с ве­ реницами комнат, и вот дверь, вводящая нас на балкон большого зала. В центре — громадный цилиндр «Огры».

журнал с колонками цифр. Нет, не о киловаттах получен­ ной энергии говорят эти записи.

Пока что энергию приходится только тратить, чтобы понять как следует природу и повадки материи, приве­ денной в четвертое состояние.

Твердое, жидкое, газообразное — три состояния тела. Четвертое — плазменное, в котором атомы частично или полностью лишены электронных оболочек. Из плазмы состоит и гремящий ствол молнии и, беззвучный разряд трубок световой рекламы.

Только в плазме может происходить таинство слияния водородных ядер, порождающее полезную энергию.

Внутри могучего тела «Огры» в тот момент, когда мы стояли возле нее, была плазма. Точнее говоря, ее легкое облачко возникало в полости машины, чтобы через ка­ кое-то время исчезнуть. Жизнь его досадно коротка: уско­ ренные частицы плазмы, сталкиваясь с чужеродными атомами и молекулами, меняются с ними зарядами и, что называется, выходят из игры. Из четвертого состояния вещество возвращается в третье.

] 16

Но разве нельзя предоставить весь объем «Огры» в исключительное распоряжение плазмы?

Шесть мощных вакуумных насосов говорят о том, что борьбе за вакуум в лаборатории придается первостепен­ ное значение. Действительно, в недрах «Огры» царит почти межпланетный вакуум: в каждом кубическом сан­ тиметре ее объема в сто миллиардов раз меньше частиц, чем в воздухе на уровне моря. Но это «почти» означает, что в «Огре» плотность содержимого все-таки в миллион раз больше, чем у космического газа. И меньше пока не удается сделать. Воистину, «природа не терпит пу­

стоты».

Чтобы опровергнуть эту поговорку, здесь пущены в ход не только насосы. В камере «0,гры» после того, как насосы выкачали из нее воздух, распыливается титан. Его частицы увлекают с собой на стенки камеры какую-то часть оставшихся в объеме молекул. Таким приемом пользуются теперь многие вакуумщики, но на «Огре» применено новшество: титан предварительно охлаждает­ ся до температуры жидкого азота, и это позволяет ему улавливать в тридцать раз больше частиц.

Еще в ту пору, когда условия термоядерного синтеза выяснялись теоретиками с помощью цифр и формул, было очевидно, что надо нагревать плазму до десятков, а то и сотен миллионов градусов. Тогда же физики обес­ покоились: как сохранять тепло в плазме, как не подпу­ стить ее к стенкам сосуда, в котором она будет заклю­ чена, как помешать плазме отдать им тепло?

Мыслью, что внутренние стенки плазменного реактора надо выстлать магнитными полями, воспользовались мно­ гие создатели термоядерных установок. Машины типа «Огры» само название ведут от этого принципа: магнит­ ная ловушка.

Толстые стенки «Огры» — это обмотка электромаг­ нита, который создает внутри ее поле, сжимающее облако

117

плазмы с боков и отражающее те ее частицы, которые пытаются ускользнуть через торцы.

Казалось, хранилище для плазмы уготовано надеж­ ное. Но плазма «не сдается» после первого же боя.

За всю историю науки ученым еще никогда не прихо­ дилось иметь дело с материей более капризной, упрямой

Один из исследователей, ведущий опыты на «Огре», рисуя на доске мелом схему за схемой, пояснил нам сущ­ ность последних опытов.

Вот перед нами начерчен ровный круг — сечение столба плазмы в камере реактора. Вот, след одной из ее чабтиц— спираль, изогнутая по кругу: частица летит по пути, определенному для нее строением магнитного поля. Но оно оказывается таково, что как бы выжимает ее на периферию. Группа таких частиц образует опасное со­ дружество, как говорят здесь, «язык».

Мел пририсовывает к кругу выступ. Затем еще один, еще, и вот мы видим, как становится рифленой поверх­ ность плазменного столба. Это последние мгновения его жизни. Еще миг — и, как говорит наш лектор, произойдет диффузия плазмы в магнитное поле. Иными словами, плазма, разъев, как кислота, магнитную оболочку, ри­ нется к губительным для нее стенкам камеры.

Сделан шаг вперед: изучена природа одного из видов неустойчивости плазмы. И, кажется, нащупываются пути борьбы с ним: два электрода, помещенные по торцам ка­ меры, уменьшают «языковую» неустойчивость. Плазма, правда, все равно позже гибнет. Но это от других причин, которым тоже придет очередь отступить...

Не часто даже бывавшему на заводах приходилось видеть таких размеров здание, как то, где разместились «Токамаки» — реакторы иного, чем «Огра», типа.

118

«Токамак» — несколько искаженное ради удобства произношения слово, составленное из первых слогов пол­ ного названия установки: «торроидальная камера маг­

нитная».

Мы ходим около «Токамака-2» — большого металли­ ческого бублика. Со всех почти сторон он обставлен при­ борами, дымящимися азотом насосами, кабельными под­ водками. Ко всему прочему его оседлало ярмо транс­ форматора.

В полости «Токамака» магнитная «облицовка» имеет иное, чем в «Огре», строение. Есть и другие отличия. Если ускоренные частицы плазмы «впрыскиваются» в «Огру» особым генератором, то здесь плазма нагревает­ ся, подобно металлу в индукционной печи: газ в камере служит как бы единственным витком вторичной обмотки

трансформатора.

На «Токамаке», коротко говоря, решается та же про­ блема: борьба с неустойчивостью плазмы. Но здесь она

в иной форме.

Индукционный ток, «поджигающий» газ, образует внутри тора горячее плазменное кольцо. Несколько мил­ лионов градусов!

Но увы! Плазма тут же остывает: ее частицы, соуда­ ряясь с другими, более тяжелыми примесями — углеро­ дом, Кислородом,— отдают им свою энергию: плазмен­ ный’шнур начинает светиться все ярче и ярче.

Парадоксальное противоречие с нашим повседнев­ ным опытом: мы привыкли, что чем ярче светится тело, тем выше его температура.

Для здешних физиков идеал — черная плазма. Дело в том, что свет излучает не сама плазма, а нагретые ею частицы примесей. И чем ярче их свечение, значит, тем большую долю энергии смогли они отнять у нее. Разу­ меется, первое желание помочь плазме тем, что удалить прожорливые примеси.

119

Значит, опять проблема высокого вакуума, опять стремление поселить в реакторе космическую пустоту. Но совершенство нынешних насосов ставит пока что здесь предел.

Помогает такое ухищрение: камеру прогревают, что­ бы согнать с ее стенок «прилипшие» чужеродные молеку­ лы и атомы и отдать их во власть насоса. Тепловая «тре­ нировка» камеры, как называют этот прием, занимает 100—120 часов. Она помогает: плазма становится «чище».

«Токамак» оснащен множеством приборов. Прежде всего это спектрографы, разгадывающие смыслы элек­ тронно-атомных коллизий по виду излучений, рожден­ ных этими актами. Часть приборов внедрена внутрь ка­ меры: не каждое излучение удается вывести наружу. Ви­ димое свечение плазмы выпускают из камеры через сап­ фировый иллюминатор.

Сапфир? Что это — магический кристалл алхимиков? Возможно, он оправдает когда-либо такое название, если поможет исследователям получить заветную черную плазму. А пока этот драгоценный камень оказался про­ сто более подходящим, чем кварц, материалом: его про­

ще сварить с металлом.

Когда повысили чистоту плазмы, она смогла нагре­ ваться до более высокой температуры. Но возросла ее неустойчивость. Обнаружилась быстрая потеря частиц плазмы. Значит, надо улучшать магнитное поле.

Есть еще загадочный процесс: число ионов в газе уже после того, как оно начало уменьшаться, неожиданным образом вновь вырастает. Здесь, видимо, заложены ка­ кие-то обнадеживающие возможности.

Наша третья беседа — у маленькой торроидальной ка­ меры. Два человека легко охватят эту металлическую баранку. Впрочем, это не младший брат «Токамака». Их отличают друг от друга магнитные поля: в большом торе — сильное, в малом — слабое.

120

Работы на этой камере позволили ответить на вопрос, озадачивший английских физиков, делавших опыты на подобном же реакторе «Зэта». Их удивило, что плазма нагревается значительно слабее, чем можно было бы ожидать, судя по величине тока в ионизированном газе. Какую каверзу на этот раз выкинула плазма?

Оказалось, что она не хочет подчиняться классиче­ ским законам электродинамики. Электрический ток, сжи­ мающий своим магнитным полем заряженные частицы примесей, почему-то бессилен сделать это же с плазмой. В те мгновения, когда импульсы тока гонят ионы газа по кольцу, плазма как ни в чем не бывало спокойно рас­ средоточена по всему объему камеры!

Опыты на маленькой камере дали ответ: виной тому микронеустойчивость плазмы.

Сколько же их всего — видов неустойчивости у этого многообещающего, но строптивого подопечного физиков? Теория насчитывает их десятки, если не всю сотню! Пока что экспериментально обнаружено и исследовано только несколько видов. Не безнадежны ли тогда поиски управ­ ляемых термоядерных реакций? Не сходна ли плазма, ее неустойчивости со сказочной гидрой, у которой на месте отсеченной головы вырастает другая?

Нет. Наверное, каждый с радостью присоединится к мудрому заключению, которое сделал физик, хорошо знающий, что такое плазма: число неустойчивостей плаз­ мы ограничено, фантазия же человека беспредельна!

Москва, 1961 г.

g Г. Остроумов