Тайны эры Водолея - Владимир Щербаков

Но если бы это не было забыто, автор этих строк прочитал бы готовый ответ - в беглом изложении журналистов. Результаты были бы иными, тривиальными. Решусь спросить теперь читателя: увидел ли он в объяснении, данном самим Штермером, что-нибудь относящееся к управляемому термояду?

Еще несколько страниц - и автор этих строк ответит на тот же вопрос вполне самостоятельно.

Высокотемпературная плазма должна быть достаточно устойчивой. Если ее не удержать на какое-то время - реакция синтеза легких ядер не даст энергии или даст ее меньше, чем затрачено на работу установки. Это главное условие. С ним прямо связано и второе условие: концентрация (плотность) частиц плазмы должна быть довольно высокой. Американский физик Дж.Д. Лоусон сформулировал критерий: произведение времени удержания плазмы на плотность ее частиц должно быть выше порогового значения. Если это так, то устройство термоядерного синтеза отдает больше энергии, чем получает. Он нашел и численное значение этого порога. За это ведут борьбу физики. Для термояда нужна плазма с температурой примерно 60 миллионов градусов. Плотность дейтериево-тритиевой смеси при этом составляет 1014 частиц на один кубический сантиметр. А время удержания подчиняется условию или критерию Лоусона:

nty > 1014 cm-3c

Отсюда, впрочем, определяется любая из величин, если другая задана: n плотность частиц, ty - время удержания плазмы.

При названных величинах время удержания составляет одну секунду. Этого в принципе достаточно, чтобы процесс пошел с позитивным балансом и энергию можно было отвести.

Плазма не должна касаться стенок рабочей камеры, иначе она мгновенно охладится и реакция синтеза остановится - при низкой температуре (относительно низкой, разумеется) у легких ядер не будет достаточной энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания, и они не будут сливаться друг с другом. Кроме того, даже легкое касание стенок "отравляет" плазму посторонними примесями, а это тоже препятствие на пути синтеза ядер.

Вот почему специалисты сразу пришли к решению использовать камеры в виде тороидов-бубликов. При этом кольцевой жгут плазмы замкнут сам на себя, у него нет "торцов" - ни начала, ни конца. От остальной поверхности он отделяется магнитным полем, которое создает как бы стенки тороидальной емкости.

Так устроены, например, ловушки-токамаки. В этих приборах через плазму пропускается ток. Он создает магнитное поле, которое участвует в формировании удерживающей магнитной поверхности. Иначе устроены другие ловушки - стеллараторы. В них есть внешние винтообразные обмотки с проводом, которые окружают тороид камеры. По ним-то вместо плазмы и пропускается ток для создания удерживающих сил. Их преимущество - ток не зависит от состояния плазмы. Преимущество токамаков - ток помимо создания магнитного удерживающего поля еще и нагревает плазму, повышает ее температуру, что является необходимым условием синтеза ядер. И уже получены температуры в десятки миллионов градусов. Впервые токамаки были созданы в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова.

Вот уже не одно десятилетие физики возлагают надежды на магнитные ловушки обоих типов - в нашем отечестве и в США. Некоторые успехи налицо, но они даются все большей ценой, и продвижение вперед давно уже напоминает неспешное соревнование черепахи с Ахиллесом, как бы олицетворяющим требования времени. А ведь после решения проблемы удержания плазмы на повестку дня встанут вопросы экономичности. А нынешние монстры-ловушки плазмы меньше всего ассоциируются с реальностью и инженерной практикой.

Между тем можно предложить иной путь. Причем могут найти применение даже созданные устройства - новые, возможно, не понадобятся. Этот путь основан на принципиально новом методе использования горячей плазмы, которая до сих пор применяется в режиме флюктуаций. Эти флюктуации - принципиальная особенность нынешних процессов термоядерного синтеза. Ведь хаотическое движение частичек происходит и в токамаках и в стеллараторах. Оно обусловлено высокой температурой, которая превосходит температуру многих звезд. Образно говоря, температура - это движение, причем хаотическое, случайное. Это и есть флюктуации.

Перейдем на образный язык. Картина такова, как будто некто гладит тигра, но его шерсть вопреки этому дыбится. Плазму можно уподобить тигру. И чем больше ток в токамаке, тем выше температура плазмы и тем больше флюктуации. Тигр неукротим. Его шерсть неминуемо то там, то здесь касается стенок ловушки - и все пропало.

У меня создалось впечатление, что расчет флюктуаций в плазме ловушек невероятно сложен, упрощенные же расчеты физиков не достигают цели, не отражают реальной картины. В этом - почти непреодолимая трудность. Да, можно предложить способы укрощения тигра, но они приведут, боюсь, к рождению нового поколения монстров-укротителей, совершенно нереальных в воплощении, тем более - в инженерной практике.

Рождение высокотемпературной плазмы - тепловые флюктуации - гибель плазмы. Таков порочный круг, разорвать который нельзя до тех пор, пока мы используем флюктуирующую плазму. Сложилось впечатление, что физики, с которыми я беседовал, плохо знакомы с теорией случайных процессов. Решения задач о пересечении случайным процессом заданных уровней им неведомы. Эти решения (как и другие) они заменяют верой в чудо: больше энергии, больше наблюдений - и все произойдет само собой, плазма будет удержана. Однако единичные удержания даже на секунды не могут внушить оптимизма. Об этом и говорит теория случайных процессов.

Но если нельзя разорвать порочный круг, потому что любая нагретая плазма флюктуирует, то о каком новом пути ее использования можно говорить? Такого пути, очевидно, не должно существовать вообще.

Тем не менее закономерные чудеса в физике все же возможны. Законы газовой динамики свидетельствуют: горячую плазму можно свернуть в кольцо. В этом кольце плазма должна вращаться по винтовой линии, повторяя внутренние очертания ловушки - на некотором расстоянии от ее стенок. Вместе с этим винтовым движением плазма должна вращаться вокруг центра тороидальной ловушки, по большому кругу. Это внешне похоже на винт, замкнутый сам на себя, или на пружину, свернутую в кольцо.

И еще это напоминает смерч, замкнутый точно так же на себя, или змею, кусающую собственный хвост (если отвлечься от вращения по винтовой линии). Простой смерч достаточно устойчив, кольцевой - намного устойчивее, а если есть еще винтообразное движение, то он практически неразрушим и формирует сам себя, вовлекая в свое тело новые и новые порции вещества. При этом давление внутри его падает до очень низких значении, а его винтовое вращение сжимает его стенки до предела.

Я мог бы написать уравнения и формулы, но, думаю, специалист поймет и так, а формулы были бы препятствием не только для неискушенного читателя, но и для иного физика, незнакомого с темой.

Расчеты показывают, что в таком режиме можно достичь сверхзвуковых скоростей винтового движения плазмы. Стенки плазмы приобретают при этом свойства твердого тела. Это кажется парадоксом, но именно это утверждают теория и расчеты. Так я пришел к модели "почти твердой" плазмы. Ее флюктуации сведены к минимуму. Частицы ее как бы вморожены во вращающиеся стенки. Таким же свойством обладают "стенки" смерчей. Не раз замечено, что попавшие в смерч предметы вращаются вместе и падают вместе; гигантские атмосферные вихри, словно по просьбе или молитве, опускают на землю неразрушенные дома и крыши, которые они поднимают в воздух.

Но смерч линеен, а плазма кольцевая, ее начало сходится с концом. Внешне как в токамаке, но только стенки этого полого кольца вращаются - в этом отличие.

Итак, замороженная плазма. Почти твердая кольцевая конструкция, если говорить инженерным языком. С ней и нужно работать физикам. Это и есть тот путь, на который некогда вступил автор этих строк. И тут, я думаю, сыграли роль и ассоциации с эффектом Штермера. Он первым описал кольцо плазмы в виде тора. В своих работах он рисовал эту змею, кусающую свой хвост. Она опоясывает земной шар. Он рассчитал ее устойчивость. Мне оставалось лишь перейти к высоким температурам и давлениям, к сверхзвуковым скоростям вращения тела змеи вокруг ее собственного позвоночника.

Так сигналы из космоса дали первый толчок. Родилась мысль об использовании нефлюктуирующей или почти нефлюктуирующей плазмы (энергия флюктуаций в ней намного меньше энергии вращения).

Плазма капризна, и поведение ее непредсказуемо в целом ряде ситуаций. Отдаленно она напоминает о бушующем море, рисунок поверхности которого постоянно меняется, а глубинные течения и водовороты невидимы. Эта аналогия глубже, чем кажется на первый взгляд, ведь в воде есть и электрически заряженные частицы, ионы, причем иногда их концентрация велика. До некоторой степени вода тоже плазма.