Итак, мы с вами в той
заповедной лаборатории, где впервые на Земле просверкала огненная нить
звездного вещества. На какие-то ничтожные, неуловимые для человеческих
чувств мгновения здесь возник неимоверный, непредставляемый
миллионноградусный жар звездных недр, и мельчайшие атомы соединили свои
ядра, извергая кванты энергии. О таких именно процессах доносит нам
вести тихое сияние созвездий. Таков источник живительного тепла
солнечного луча.
Как же не радоваться первому
родничку звездной энергии, который — пусть пока что на долю мгновения —
удалось пробить здесь, у себя под руками! Скоро ли сумеем мы вывести
зтот родничок в русло могучей многоводной реки «земнозвездной» энергии,
запряженной, как полагается, то ли в стальную рабочую сбрую фабрик
электричества, то ли превращенную в стремительность полета межпланетного
корабля?
Точных сроков этому никто установить не возьмется. Но
мы твердо уверены: наша наука, подкрепленная всей мощью современной
техники, способна с такой быстротой проходить самые головоломные
маршруты, как это и не мечталось предшествующим поколениям. Есть у нас и
умение собирать главные силы на решающем направлении. Важно только
правильно угадать его. Звездная молния, о рождении которой здесь будет
рассказано, думается, бьет в эту главную цель... Во всяком случае, те,
кто ее низвел на Землю, нисколько в этом не сомневаются.
КОСТРЫ НАШИХ ПРЕДКОВ
Энергия,
как мы знаем, — это движущее начало всех производств: на расширении ее
источников основана вся современная цивилизация; между тем сама
энергетика — сами способы добывания энергии — за многие тысячелетия
существования человечества, по существу, не изменилась ни на волос.
Пламенеющая топка сверхсовременной электростанции совсем не так далеко
ушла от костра первобытного человека, как это может показаться на первый
взгляд. В обоих случаях источником энергии является горение
растительных и животных останков, будь то дрова, или уголь, или нефть,
выжатая в земных глубинах из древних слоев. Усовершенствованы только
способы добычи, перемещения и использования этого топлива. Этим
человечество успешно занималось последние 50—100 лет. Но сам по себе
процесс извлечения энергии из топлива оставался неизменным. Эта энергия
получается за счет работы слабых сил сцепления, действующих между
поверхностными слоями атомов утлерода и кислорода, вступающих между
собой в соединение.
С появлением атомной энергетики, которая
родилась буквально на наших глазах, был сделан первый шаг к отысканию
новых источников энергии. Атомная энергетика сегодняшнего дня основана
на использовании той энергии, которая заключена в ядрах атомов самых
тяжелых элементов, находящихся в конце периодической системы Менделеева,
в первую очередь урана. Ядра этих атомов могут распадаться на осколки
меньшей величины. При этом выделяется очень большая энергия. И мы уже
научились практически использовать ее, примером чему может служить
первая в мире советская атомная электростанция.
Атомная
энергетика развивается, и мы связываем с ней многие надежды. Как
известно, при полном делении одного грамма урана освобождается столько
же энергии, сколько ее можно получить, сжигая 2,5 т угля. Поэтому,
несмотря на то, что содержание тяжелых элементов, способных к делению, в
земной коре сравнительно невелико, их запасы могут обеспечить
человечество энергией на протяжении многих тысячелетий. Значит ли это, что здесь можно сказать: «Стоп, довольно искать»?
На
этот вопрос, заданный несколько лет назад самому себе, академик Лев
Андреевич Арцимович, выражая мнение всех передовых ученых, отвечает: — Разумеется, нет! Никакие новые источники энергии не являются лишними. И ученые продолжали поиски.
ЗАДАЧА ПОСТАВЛЕНА
Эти
поиски привели ученых к началу периодической системы химических
элементов Менделеева. Оказалось, что самые легкие элементы, в том числе и
легчайший — водород, также могут служить источником атомной энергии, но
они ее могут отдавать не в процессе деления, при котором ядра
разбиваются на части, а наоборот, при их слиянии, в результате чего
образуются несколько более сложные и тяжелые ядра. Такой процесс
называется синтезом.
Надо иметь в виду, что легкие элементы
присутствуют у нас на Земле да и на небесных телах в гораздо больших
количествах, чем тяжелые. Синтез их в природе осуществляется в очень
больших масштабах. Это происходит в недрах Солнца и звезд. Там
осуществляются слияния ядер атомов водорода. В результате нескольких
циклов реакций водород в конечном счете превращается в гелий.
Тотчас возник вопрос: можно ли заставить те же самые процессы протекать в земных условиях?
—
На этот вопрос, — с грустной иронией говорит академик Арцимович, — к
сожалению, первой ответила водородная бомба. Процесс синтеза легких
элементов впервые на Земле проявился в виде разрушительного взрыва
огромной силы. С точки зрения энергетики такой способ его осуществления
лишен практической ценности. Но, быть может, можно заставить ядра
водорода соединяться в более устойчивые продукты, лишь постепенно
отдавая энергию, чтобы ее можно было использовать так же, как
используется энергия горения обычного топлива?
Так было сформулировано главное задание. Теперь нужно было представить себе условия, при которых оно становится осуществимым. Тут
мысли исследователей и впрямь перенеслись к звездам. Очевидно,
размышляли они, синтез легких элементов может происходить лишь в
результате столкновения ядер атомов этих элементов. При этом ядра должны
сблизиться между собой настолько тесно, чтобы между ними могли начать
действовать особые ядерные силы. Только тогда может осуществиться
ядер-ная реакция с превращением ядер легких элементов в ядра несколько
более тяжелых и с освобождением энергии. Такая реакция может произойти
далеко не при всяком столкновении. Ядра заряжены одноименно и
отталкивают друг друга. Если столкновение будет вялым, до реакции дело
не дойдет, верх возьмут силы отталкивания, которые на малых расстояниях
становятся огромными. А так как ядерные силы проявляются на еще меньших
расстояниях, то к ним просто не удастся подобраться. Налетающие друг на
друга ядра смогут преодолеть этот барьер, образуемый электростатическими
силами отталкивания, только в том случае, если скорость их полета, а
следовательно, и энергия движения будут способны этот заслон пробить.
Что
означает на языке физики это требование — придать летящим ядрам больше
кинетической энергии, — сейчас может пояснить каждый. Это значит, что
вещество должно быть нагрето до высокой температуры, потому что именно
температурой определяется скорость хаотически движущихся его частиц.
ТУПИК! НЕТ!
Теория
позволила назвать два вида ядер, наиболее удобных для осуществления
управляемой термоядерной реакции. Ими оказались две разновидности
(изотопы) атомов водорода с массой, двойной по весу, так называемый
дейтерий (тяжелый водород), и тройной—тритий (сверхтяжелый водород).
Дейтерий входит в состав так называемой «тяжелой воды», она содержится в
небольших количествах в обычной воде.
— Если бы для управляемых
термоядерных реакций удалось целиком использовать весь дейтерий, который
содержится в воде, заливаемой в радиатор вашей «Победы», — сказал мне
как-то полушутливо Арцимович, — заключенной в нем энергии хватило бы на
такой пробег этой машины, который потребовал бы двух ее капитальных
ремонтов.
Точный расчет позволил определить, что произойдет, если
мы будем повышать температуру вещества, состоящего из уже названных
легких атомов. В нашем — пока что умозрительно нагреваемом — веществе
должны появиться частицы, которые в силу случайных причин приобретут при
нагреве скорость, значительно превышающую среднюю скорость частиц в
веществе при данной температуре. При повышении нагрева число таких
частиц возрастет, появятся первые следы вызванных им термоядерных
реакций. Наконец при достаточном повышении температуры термоядерные
реакции приобретут такую интенсивность, что выделяемая энергия сможет
восполнить те энергетические затраты, которые мы должны производить,
чтобы это вещество как следует нагреть. При дальнейшем развитии эти
реакции могут стать уже источником энергии.
Эти общие соображения
нетрудно свести к определенным числам. Теоретики заранее дали более или
менее точную и, нужно сказать, не очень утешительную справку. Для того
чтобы в одном грамме твердого дейтерия получить одну реакцию в секунду
(это то, что можно уже учесть), требуется нагреть этот грамм примерно до
200 тысяч градусов. Ставя здесь точку, теоретики очень мало были
взволнованы тем обстоятельством, что удержать вещество в твердом
состоянии невозможно даже при значительно меньших температурах.
Теоретика спрашивают— он отвечает.
Как будет обстоять дело с
газообразным дейтерием? Пожалуйста, у него и на это ответ готов. Так как
в силу малой плотности газа вероятность столкновений в нем уменьшается,
для достижения желаемых результатов придется поднимать температуру
гораздо выше. Конкретнее: если вы хотите в одном грамме дейтерия,
находящегося в газообразном состоянии, получить ту же одну реакцию в
секунду, вам придется этот грамм дейтерия нагревать до температуры уже в
несколько сот тысяч градусов.
Достаточно заметная термоядерная
реакция появится только при температуре в десятки миллионов градусов.
Только тогда она станет настолько эффективной, чтобы себя поддерживать.
Так были уточнены условия поставленной задачи. Заметим попутно, что
наивысшая температура, которую человеку удалось до этого достигнуть,
составляла несколько десятков тысяч градусов. При такой температуре
разлеталась в атомную пыль тонкая проволока, на которую обрушивали
электрическую Ниагару.
«Атомная пыль» — выражение образное, но не
очень точное. Даже при температуре в несколько десятков тысяч градусов,
не говоря о миллионах градусов, любое твердое вещество не просто
обратится в газ, а при этих условиях со всех его ядер будут практически
сорваны все электроны. Образуется своеобразный газ из электронов и
«голых» ядер. Недаром он назван «плазмой», что по-гречески означает
«первооснова».
Теплопроводность такого плазменного газа чудовищно
высока, и с этим в первую очередь нужно считаться, продолжая размышлять
над тем, как бы его все-таки нагреть до еще более высоких температур.
Таков
в самых общих чертах путь теоретических рассуждений, который, надо
думать, не только в нашей стране, но и во всем мире со всей
тщательностью, пядь за пядью, прощупывали ученые, стремясь обнаружить
хоть какую-нибудь лазейку.
Когда нам нужно предотвратить потери
тепла в самых обычных условиях, мы поступаем очень просто: ставим на
пути теплового движения частиц вещества преграду в виде какого-нибудь
материала, частицы которого почему-либо плохо поддаются тепловой
«раскачке». Это и есть то, что мы называем в технике теплоизоляцией. Это
слово вызывает в памяти асбестовые обмуровки котлов и паропроводов,
теплонепроницаемые засыпки из шлаковой ваты и т. п. Но все эти
воспоминания могут вызвать только улыбку, если принять во внимание
поправку на действительное положение вещей. А оно таково: если
вообразить некий сосуд, внутри которого вещество должно быть нагрето до
нескольких сотен тысяч градусов, то давление в нем по всем законам
физики должно превысить миллионы атмосфер. Иначе говоря, такой сосуд
может существовать только в фантазии теоретиков, и то лишь для того,
чтобы они с ним тут же расправились двумя-тремя строками беспощадных
расчетов. Как будто бы исследователи зашли в безысходный тупик? Нелегкое положение! Тем интереснее искать из него выход.
ДРАГОЦЕННЫЕ НАХОДКИ
Оценив
по достоинству серьезность проблемы, вы поймете, с каким восторгом
группа ученых приняла шесть лет назад идею, которая представляла собой
первую спасительную нить, выводящую исследователя из запутанного
лабиринта. Сейчас, после доклада академика И. В. Курчатова в г.
Оксфорде, эта идея стала общеизвестной. Я убежден, что каждый, кто с ней
впервые познакомился, не мог не испытать хоть часть того наслаждения,
которое охватывает душу исследователя, когда он обнаруживает способ
обойти затруднение, казавшееся непреодолимым, обойти способом изящным,
главное — совершенно неожиданным. Идея такого обхода, выдвинутая
заслуженным физиком-теоретиком академиком Игорем Евгеньевичем Таммом и
совсем еще молодым исследователем Андреем Дмитриевичем Сахаровым,
недавно увенчанным высшим академическим званием, пленяет именно своей
свежестью и необычностью. Они нашли способ создать поистине
фантастический сосуд, который был бы способен вмещать в себя звездное
вещество, состоящее из ободранных ядер, мечущихся со скоростью,
соответствующей нагреву в миллионы градусов. И в то же время это был
сосуд... без стенок.
