Сто миллионов градусов

Сто миллионов градусов

Холодно или жарко в нашем мире? На пер­вый взгляд материя Вселенной не так уж горяча. Дышим мы прохладным воздухом, пьем холодную воду, катаемся по льду, лепим снежки. Нас не греет черное ночное небо. Чтобы согреться, приходится зажигать костры и топить печи. Между тем подавляющая масса вещества в мире испепеляюще горяча.

Те десятки градусов в ту или другую сто­рону от точки таяния льда (0°Ц), в которых мы живем и к которым привыкли,— редкое исклю­чение, крошечный уголок природы. Типичная же, наиболее распространенная температура вещества — это, как ни странно, миллионы, десятки миллионов, даже сотни миллионов градусов. До таких грандиозных температур нагреты звезды. Астрономы доказали, что именно в них сосредоточена львиная доля ве­щества нашего мира. Вот красноречивый при­мер. Солнце — ближайшая к нам звезда — рас­калено в недрах до 10—13 млн. градусов. А вещества в Солнце в тысячи раз больше, чем во всех планетах солнечной системы.

Что же происходит в жарких глубинах звезд? Какие процессы поддерживают там огромную температуру? Современная наука доказала: там, под ослепительным наружным покровом, непрерывно идут превращения атом­ных ядер, и это сопровождается колоссальным выделением энергии.

В раскаленном веществе Солнца очень много водорода. Но не обычного газа, а водородной плазмы: она состоит не из целых атомов, а из атомных осколков — ядер и электронов. При колоссальной температуре солнечных глу­бин частицы водородной плазмы испытывают весьма быстрое и энергичное беспорядочное движение. Ядра при этом с разгона налетают друг на друга. Иногда столкновение бывает таким сильным, что ядра преодолевают взаимное электрическое отталкивание (они ведь все заря­жены положительно), тесно сближаются и сли­ваются воедино. Тогда из двух ядер обычного («легкого») водорода, т. е. из двух прото­нов, получается ядро тяжелого водорода —дейтрон. Вместе с тем вылетают прочь от­ходы реакции — электрон и нейтрино. А главное, освобождается весьма значительная энергия.

Слияние двух протонов — маленький взрыв. Но он сопровождается не разрушением, а сози­данием — созиданием нового ядра, более сложного и тяжелого, чем исходные. Этот взрыв — одно из самых сокровенных таинств природы.

Вот что удивительно. Если бы мы попро­бовали истолковать синтез дейтрона из прото­нов, руководствуясь только классической физикой, то пришли бы к выводу, что такой синтез невозможен: слишком сильно протоны отталкиваются друг от друга. Тем не менее на Солнце эти протоны сливаются, а значит, про­бивают-таки «непробиваемую» стену электри­ческого отталкивания.

Лишь квантовая механика (см. последнюю главу ст. «Электромагнитное поле») — наука о микрочастицах и микропроцессах — объяс­нила, почему это происходит. Квантовая меха­ника выяснила очень характерную для микро­мира закономерность: многое из того, что в классической физике строго-настрого запреще­но, в квантовой механике лишь почти запре­щено, т. е. не невозможно, а только очень маловероятно.

Сколько бы ни билась муха об оконное стекло, она никогда не проникнет сквозь не­го — так утверждает классическая физика, и утверждает совершенно верно, ибо речь идет о событии в мире больших тел, в макромире.

Иначе будет в микромире. Допустим, что муха — это протон, а стекло — непробивае­мый барьер электрического поля. В редчай­ших случаях, с какой-нибудь стомиллиардной «попытки», эта муха — протон — очутится вдруг по ту сторону стекла. И, что приме­чательно, стекло при этом не будет разбито, в нем не будет проткнуто никакой дырочки. Просто с ничтожной вероятностью происходит почти невероятное событие.

Сущность этого явления — глубочайшая физико-философская проблема, поныне еще не решенная до конца. Ученые сходятся на том, что секрет парадокса скрыт в специфике микро­частиц: это вовсе не предметы, подобные, ска­жем, бильярдным шарикам, это скорее волно­вые вероятностные процессы, некий вид взаи­модействия на самых нижних этажах всеобъем­лющего здания материи.

Итак, совершается невероятное. Где-то в нед­рах Солнца соединяются протоны. О редчай­шей случайности такого синтеза можно судить по тому, что даже при температуре и плотности глубин Солнца протон должен проблуждать в среднем 14 млрд. лет, непрерывно сближаясь с другими протонами, пока не произойдет это долгожданное событие — образование дейтрона. Но протонов в глубинах Солнца бесчисленно много, и поэтому все время то тут, то там про­исходят «чудеса»: в крошечных микровзрывах рождается тяжелый водород. И все новые пор­ции энергии освобождаются, вливаясь в звезд­ный жар светила.

Но почему же при синтезе дейтронов выде­ляется энергия? Казалось бы, наоборот, энер­гия должна поглощаться: из простого строится сложное, на сближение двух упрямо отталкивающихся протонов затрачивается работа.

Да, работа затрачивается, и немалая. Пока протоны сблизятся друг с другом, они полно­стью затормозятся. Но если к этому моменту они окажутся друг от друга на расстоянии около 10^-13 см, вступят в действие могучие силы ядерного притяжения. Протоны как бы «падают» друг на друга, словно бы хватают друг друга в мощные «объятия», и в этом-то «падении», в этих «объятиях» и выделяется энер­гия, так же как, скажем, при падении метео­рита на Землю. Разница в том, что, хотя ядер­ные силы действуют на очень малом расстоя­нии, они в миллиарды миллиардов раз боль­ше сил тяготения, поэтому и энергия синтеза колоссальна. Она с лихвой окупает работу, затраченную протонами на преодоление элек­трического отталкивания, и, вырываясь наружу.

Одним из фундаментов физики стал сейчас эйнштейновский принцип эквивалентности массы и энергии: масса любого тела, дважды помноженная на скорость света, соответствует энергии этого тела: Е=mс², где Е — энергия, m — масса, с — скорость света. Поэтому изме­нение массы тела или системы тел должно сопровождаться либо выделением, либо по­глощением энергии. Зная это, нетрудно под­считать, сколько энергии дает синтез дейтрона из протонов.

Масса протона равна 1,007825, значит, два протона имеют массу 2,01565, но масса дей­трона равна 2,01410, т. е. меньше массы двух протонов на 0,00155 (физики эту разность на­зывают дефектом массы). По принципу эквива­лентности она соответствует энергии в 0,46 млн. электрон-вольт (электрон-вольт — энергия, ко­торую приобретает электрон, когда он преодо­левает разность потенциалов в один вольт). Вот это количество энергии и выделяется при об­разовании дейтрона.

Слияние протонов — только начало цепочки ядерных реакций, происходящих в Солнце.

Каждый возникший дейтрон очень скоро (в среднем через 5,7 сек) присоединяет к себе еще один протон, превращаясь в ядро легкого гелия и выделяя энергию 5,5 Мэв. Затем, в сред­нем через миллион лет, ядра легкого гелия сливаются попарно — тут образуется конечный продукт, ядро обычного гелия. При этом выбра­сываются два протона, а энергия выделяется очень значительная — 12,89 Мэв.

Так, через несколько ядерных превращений водородные ядра преобразуются в ядра гелия — газа, который ученые сначала обнаружили на Солнце и только потом на Земле. В этой

статье указан только главный цикл ядерных превращений; есть и другой, в котором участву­ют ядра углерода, кислорода, азота (см. послед­нюю главу статьи «Великий закон»). И энергия, освобождающаяся во всех этих превращениях, титанически огромна. Ежесекундно миллионы тонн вещества превращает Солнце в лучистые по­токи. Но водород настолько концентрированное ядерное горючее, что за миллион лет Солнце теряет всего лишь миллионную долю своей мас­сы!

Подобные ядерные процессы могут происхо­дить лишь при очень высокой температуре, и названы они термоядерными. Чем выше температура, тем сложнее и тяжелее синтези­рующиеся ядра, тем больше выделяется энергии. И именно благодаря термоядерным реакциям так сильно нагрето звездное вещество, пылаю­щее в вечном, неутихающем пожаре.

Поняв жизнь Солнца, разгадав энергетиче­ские источники звезд, ученые наметили се­бе цель: зажечь такой же могучий звездный огонь и на Земле! Воссоздать в земной промыш­ленной установке управляемый, послушный че­ловеческой воле термоядерный процесс. Добить­ся этого — значит получить практически неиссякаемый источник энер­гии. Ведь водородом наша пла­нета очень богата (этот эле­мент входит в состав воды). Даже если научиться сжигать в термоядерных реакторах ме­нее распространенный в при­роде тяжелый водород (на Солн­це тяжелый водород воспламе­няется особенно легко), то и тогда каждая кружка обыч­ной воды станет равноценна бочке бензина! Наконец, есть еще одно замечательное тер­моядерное горючее — так на­зываемый сверхтяжелый водо­род. В природе его, правда, почти нет, но его можно получать методами современной «ал­химии» — в ядерных реакторах из легкого изотопа лития (Li⁶), которого немало в зем­ной коре. Смесь тяжелого водорода и сверх­тяжелого будет, видимо, наиболее подходящим горючим в термоядерной энергетике будущего. Как же решается эта великая проблема? Сейчас главная задача ученых — устроить «звезд­ную спичку», нагреть вещество до таких сверх­высоких температур, при которых начнет­ся энергетически выгодная термоядерная реакция.

Как рассчитали физики, в земных условиях для этого потребуется куда более высокая тем­пература, чем в недрах Солнца. Причем термоядерное горючее надо «поджечь» без взры­ва, иначе процесс выйдет из-под контроля. (Не­контролируемый, неуправляемый ядерный син­тез уже осуществлен в водородной бомбе, где соединения изотопов водорода воспламеняются самым грубым способом — взрывом атомной бомбы.)

Проще всего нагреть тело, передав ему тепло от другого тела, нагретого сильнее. Например, вода в чайнике закипает, черпая тепло от более горячего — огня. Специфика нашей задачи заключается в том, что здесь этот простой спо­соб (примененный, кстати, в водородной бомбе) не годится.

При передаче тепла от горячего тела к хо­лодному беспорядочно движущиеся атомы горя­чего тела как бы расталкивают атомы тела холодного. Беспорядок здесь готов, он только распространяется (ведь именно хаотическое движение частиц создает нагретость тел, при­чем средняя его энергия и соответствует темпе­ратуре).

А если у нас нет заранее данного энергич­ного беспорядка, которым можно было бы «заразить» холодное вещество, то надо ка­ким-то способом заново создать этот беспоря­док. Только так удастся нагреть холодное тело, не имея горячего.

Вообразите, что две группы бегунов стре­мительно несутся навстречу. Вот они столкну­лись, перемешались — какая началась толчея, неразбериха! Отличный беспорядок!

Примерно так же физики пытались получить высокую температуру, сталкивая газовые струи большого давления. Действительно, из прямо­линейного движения атомов получалось беспо­рядочное, и температура газа поднималась довольно значительно. Такая система нагрева давала до 10 тыс. градусов, в свое время это был рекорд нагрева вещества в лаборатории: температура получалась выше, чем на поверх­ности Солнца.

Но это еще очень далеко до термоядерной температуры. И какими мощными ни делали газовые струи, как быстро ни сшибали их, за пределы 10 тыс. градусов не ушли.

Происходило это потому, что тепловой бес­порядок на редкость «заразителен»: он мгновенно убегает от области максимального нагрева, «заражая» собой газ, расширяющийся во все стороны после столкновения струй.

Система грела окружающую среду, как греет печка воздух в комнате. Она не была изолирована.

Вспомните снова Солнце. Этот сверхгоря­чий шар идеально изолирован от окружаю­щих тел — висит в пустоте мирового простран­ства и ни с чем не соприкасается. Правда, Солнце отдает тепло своими лучистыми пото­ками, но они ничтожно малы по сравнению с пол­ной энергией светила.

Значит, если мы хотим изолировать наше искусственное солнце, его надо как-то «под­весить в пустоте», иначе его не удастся как следует разжечь.

Физики нашли путь, как осуществить эту идею. Они воспользовались тем, что термоядер­ное горючее при сверхвысокой температуре бу­дет, как и водородное топливо Солнца, не в твер­дом, не в жидком, не в газообразном, а в плаз­менном состоянии, ибо при миллионах градусов атомы неминуемо расщепятся на ядра и элек­троны (подробнее о плазме см. в ст. «Семь со­стояний вещества»). Но ядра и электроны, как электрически заряженные частицы, подвержены действию электрических и магнитных полей. Это-то свойство плазмы физики и использовали.

В 50-х годах советские ученые, а за ними и ученые других стран провели ряд экспери­ментов.

Из закрытой трубки с электродами в тор­цах тщательно откачали воздух. Ввели в нее разреженный газ и через газ пропустили силь­ный электрический разряд. В газе возникло не­что похожее на молнию — разрядный шнур плазмы.

Вокруг шнура, как вокруг любого тока, появилось магнитное поле, силовые линии кото­рого можно изобразить в Виде колечек, охва­тывающих шнур (см. рис. 2 на цвет. табл. у стр. 121).

По мере нарастания тока это поле уси­ливалось, колечки силовых линий сжимались, стискивая шнур плазмы. В результате плаз­менные частицы неслись к оси шнура, и там возникала невообразимая толчея заряженных частиц. Это вело к резкому повышению тем­пературы.

В подобных опытах температуру плазмы удалось поднять примерно до 2 млн. градусов. Так был достигнут новый рекорд наивысшей лабораторной температуры. Но и этого было мало для термоядерной реакции. К тому же разряды получались практически мгновенными, похожими на взрывы, а шнуры плазмы — неу­стойчивыми, да и не очень хорошо они были изо­лированы от стенок трубки: концы шнура непосредственно касались электродов, и те отсасы­вали тепло.

Тогда родилась другая мысль: приготовить сперва не горячую, а холодную плазму, собрать ее в быструю струю и впрыснуть в магнитное поле особой конфигурации, в так называемую магнитную бутылку. Там струя плазмы должна задержаться, частицы ее — за­путаться, закружиться. Из прямого, упорядочен­ного движения частиц создастся хаос, беспорядок, а это-то и требуется, чтобы повысить температуру.

Холодная плазма, кстати говоря знакома всем: это она светится в трубках неоновых рек­лам, работает в газоразрядных лампах, в лю­минесцентных светильниках.

Холодную плазму можно в электрическом поле ускорить, собрать в достаточно быструю струю. Сложнее создать магнитную ловушку. Вот в общих чертах принцип ее устройства.

Его основа — цилиндрический соленоид, витки которого наложены неравномерно: по­середине цилиндра — реже, у концов — гуще. Когда по катушке течет ток, внутри нее возни­кает магнитное поле, как в любом электромаг­ните. Из-за неравномерности витков магнитное поле в катушке также неравномерно: у концов оно сильнее, чем на середине. Силовые линии идут подобно волокнам луковицы: сначала гу­сто, потом реже, потом опять густо.

Магнитное поле такой формы и есть про­стейшая магнитная бутылка. Усиленные крае­вые области этого поля называются зеркалами или пробками.

Электрически заряженные частицы, попав­шие в бутылку, могут задержаться в ней, словно рыба в сети. Ведь магнитное поле всегда откло­няет движущийся заряд — искривляет его тра­екторию. Если поле достаточно сильно, заряжен­ная частица будет, не вылетая из бутылки, двигаться по спирали, как бы наматывая свой путь на силовую линию поля (см. рис. 3 на цвет. табл.).

А вблизи пробки, где силовые линии сгу­щены, частица не может пробиться сквозь их чащу (для этого ей нужна была бы допол­нительная энергия) и поворачивает обратно; пролетев по спирали к противоположной проб­ке, частица опять будет отражена и снова на­правится внутрь бутылки и т. д. Предполага­лось, что так можно уловить плазму.

К сожалению, поведение плазмы в магнит­ной бутылке значительно сложнее предположен­ного. Первые же эксперименты показали, что плазма ловится в магнитную ловушку, увы, очень неохотно.

В экспериментальном зале отдела плаз­менных исследований Института атомной энер­гии воздвигнуты внушительные установки, немного похожие на старинные паровозы. На­зываются эти установки пробкотронами. Их назначение — создать магнитные бу­тылки для плазмы.

На прочном высоком фундаменте лежит камера — широкий цилиндр, охваченный кре­пежными поясами и облицованный текстоли­товыми блоками. С обоих торцов цилиндр за­крыт, к нему подведены трубы вакуумных насо­сов. А вокруг цилиндра проложены трубчатые витки обмотки, в них течет охлаждающая вода. Внутри камеры размещены датчики приборов, от них идет множество проводов к пульту управ­ления. К одному из торцов камеры присоединен инжектор плазмы; из него в камеру, где зара­нее подготовлен вакуум, впрыскивается плаз­менная струя.

Электрическое питание установки столь обильно, что ее обслуживает специальный энер­гетический сектор — с трансформаторами, вы­прямителями, конденсаторными батареями. Он находится внизу, в подвальном помещении.

Идет эксперимент. Огромной силы электри­ческие импульсы обрушиваются в обмотку — токи в сотни тысяч ампер. Одновременно элек­тронное автоматическое устройство впрыски­вает в камеру струю водородной плазмы. На пульте, на белых экранах осциллографов, вспы­хивают ярко-зеленые кривые, фиксирующие во всех тонкостях поведение плазменного облачка в магнитной ловушке.

Годы кропотливой работы потратили ученые на опыты в пробкотронах. Изучали особенности плазмы, ее капризы, которые на первых порах выглядели непреодолимыми, не поддающимися никакому укрощению. Эфемерное облачко плаз­мы было неустойчивым и существовало мил­лионные доли секунды. Плазма не держалась в ловушке, касалась стенок камеры и неминуемо гибла.

И все-таки опыт накапливался. Наряду с бес­численными наблюдениями велись теоретиче­ские исследования. Предлагались новые ре­жимы воздействия на плазму, новые структу­ры обмоток и магнитных полей в ловушке. И мало-помалу упорство ученых начало по­беждать.

В 1962 г. в Институте атомной энергии был достигнут заметный успех. Пробкотрон снаб­дили дополнительной продольной стабилизи­рующей обмоткой, и водородную плазму уда­лось нагреть до сверхзвездной температуры — 40—50 млн. градусов. Особенно ценно то, что такая горячая плазма была задержана в ловушке на тысячные, даже на сотые доли секунды. Жизнь плазмы удлинили таким обра­зом в сотни тысяч раз. Правда, плотность на­гретой плазмы была сравнительно небольшой — 10¹⁰ частиц на 1 см³.

Затем последовали новые успехи. Стремясь постичь тонкие свойства плазмы, физики далеко продвинули теоретические исследования этого своеобразного состояния вещества.

На службу удалось поставить так назы­ваемые коллективные взаимодействия в плаз­ме, т. е. взаимные влияния ее сгущений, ком­ков, неоднородностей, в тот короткий период, когда в ней еще не произошли парные столк­новения частиц.

В Институте атомной энергии провели, на­пример, такой эксперимент. В магнитную ло­вушку впрыснули встречные потоки холодной плазмы. В момент, когда они пронзили друг друга, на них обрушили мощный и очень короткий удар магнитного поля. Непосредственно на ядра этот удар почти не подействовал: они слишком массивны. Зато в электронных пото­ках тотчас нарушилась однородность, возникли вихри, «толпы» частичек. От электронов это групповое хаотическое движение тут же пере­далось ядрам, и их температура подскочила до десятков миллионов градусов.

Так, в сравнительно небольшой лаборатор­ной установке плазму удалось нагреть обход­ным путем, используя коллективные взаимо­действия. При этом с пользой применили ту самую склонность к неустойчивости, которая в других аппаратах обычно разрушала плаз­менное облачко.

Иначе поступили ученые Института ядерной физики Сибирского отделения Академии наук в Новосибирске. На плазму, пойманную пробкотроном, они обрушили такой сильный и рез­кий удар магнитного поля, что в плазме про­изошло опрокидывание ударной волны. По­лучилось нечто похожее на морской бурун. Примерно так же опрокидываются крутые водяные волны, образуя пенистые гребни — барашки, в которых частицы беспорядочно мечутся в разные стороны. В результате опрокидывания ударной волны температура ядер в плазме тяжелого водорода (плотностью 10¹³ частиц на 1 см³) поднялась до рекордной величины — 100 млн. градусов. На десятки микросекунд в установке зажглась физическая термоядерная реакция. Она заявила о себе ней­тронами, освободившимися при «звездном» синтезе ядер легкого гелия. В физической лабо­ратории на мгновение вспыхнула искра искус­ственного солнца!

Правда, от этого проблеска еще далеко до решения проблемы. Лабораторные реакции не дают пока ни джоуля энергии, наоборот, они ее довольно жадно поглощают. Чтобы возбудить энергетически выгодный термоядерный процесс, ядра в плазме тяжелого водорода (плотностью 10¹⁴—10¹⁵ частиц на 1 см³) предстоит экономно нагреть до 500 миллионов и даже до миллиарда градусов и удержать в течение секунды. Эти требования варьируются: при большей плотно­сти плазмы ее температура и время удержания могут быть уменьшены. Однако невозможно достичь цели, если, скажем, заботиться только о повышении температуры. Задача должна быть решена комплексно.

Даже при исполнении всех этих требований останутся еще огромные технические трудности: нужно научиться создавать гигантские (в сотни тысяч эрстед) магнитные поля, высокий ва­куум в достаточном объеме (ведь термоядерное горючее будет в сотни миллионов раз разрежен­нее комнатного воздуха), разработать и по­лучить жаропрочные, но не загрязняющие вакуум материалы для внутренних частей ка­мер и т. д. Словом, до энергетического термо­ядерного реактора еще не близко. Сегодня главная цель физиков — как можно глубже понять плазму, научиться обращаться с ней.

Исследования идут интенсивно и широким фронтом. И не только в пробкотронах. Ста­вятся опыты в так называемых тороидальных камерах. Там плазма находится в кольцевой трубе, вроде полого бублика, и представляет собой как бы замкнутый виток мощного пони­жающего трансформатора. Раскаляется она мощным импульсом электрического тока.

Есть камеры, где плазма, схваченная в маг­нитную ловушку, резко сжимается нарастаю­щим магнитным полем; тогда она нагревается по тому же закону, по которому греется воздух под поршнем велосипедного насоса. Есть ка­меры и в форме восьмерки. Они тоже дают на­дежду получить устойчивую горячую плазму.

Несмотря на огромные трудности (и прин­ципиальные и технические), физики и инженеры уверенно продвигаются по пути к искусственному солнцу. Настанет день, и их огромная работа увенчается полным успехом. Когда это прои­зойдет? Ученые не очень-то любят такие про­гнозы. Называются разные сроки — от 5 до 50 лет.

Промышленный, управляемый термоядер­ный реактор будет самой замечательной энер­гетической установкой из всех изобретенных человеком. Научившись «сжигать воду» в искус­ственном солнце, мы получим источник топ­лива, равноценный 500 океанам, в которых вместо воды была бы нефть! Трудно даже во­образить себе, к какому бурному прогрессу приведет это индустрию, сельское хозяйство, науку. Получив изобилие энергии, человек сможет осуществить самые дерзкие мечты, вплоть до кардинального преобразования Зем­ли, ее природы, ее климата. Всюду, где потре­буется, люди пошлют воду в пустыни, согреют холодные моря, осушат болота, обнажат запа­сы полезных ископаемых, полностью, до конца подчинят себе все сокровища нашей планеты.

Сказочное энергетическое богатство откроет новую эру в истории, эру невиданного изоби­лия и поистине фантастического умножения человеческого могущества.

• НА ПОДСТУПАХ К АБСОЛЮТНОМУ НУЛЮ 
• Что такое холод?
• Гелий превращается в жидкость  
• Квантовые свойства веществ 
• Сверхпроводимость  
• Сверхтекучесть    
• Наинизшая температура   
• Сто миллионов градусов