Искусственное Солнце - Глеб Анфилов

Плазма — отличный проводник тока. Он течет в ней лучше, чем в металле, и все жарче раскаляет ее. Но еще со времен Фарадея известно, что любой электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого располагаются вокруг тока концентрическими кругами. Как же влияет это собственное магнитное поле на частицы плазмы? Оно заставляет их сходить с прямого пути и закручиваться вокруг силовых линий. Причем вот что важно: куда бы ни двигался электрон или голое ядро, они обязательно отклоняются к центру тока. Кувыркаясь подобно гайкам на ободах катящихся велосипедных колес, частицы плазмы стремительно несутся навстречу друг другу. И возле оси тока из-за ужасающей толчеи и беспорядка при столкновении частиц должно наблюдаться то, ради чего затеяно все дело, — огромное повышение температуры.

Итак, при достаточно мощном импульсе тока плазма в разрядной трубке должна стягиваться в тонкий шнур. Явление это носит название пинч-эффекта. И здесь оно обязано сопровождаться колоссальным нагревом плазмы.

Но пинч-эффект одновременно выполняет и другу задачу: изолирует плазму, отделяет ее от стенок разрядной трубки. Между стенками и плазменным шнуром возникает невидимая магнитная стена, проникнуть за которую частицам плазмы очень трудно. Казалось бы, ничто, кроме испускания плазмой лучистой энергии, не должно препятствовать повышению ее температуры.

Проверка изложенной идеи была проведена в Институте атомной энергии Академии наук СССР. Руководил экспериментами академик Л. А. Арцимович. Академик М. А. Леонтович возглавил теоретические исследования. Опыты вели научные сотрудники С. Ю. Лукьянов, И. Н. Головин, С. М. Осовец, Н. В. Филиппов, О. А. Базилевская, С. П. Брагинский, И. М. Подгорный,

А. М. Андрианов, В. П. Синицын, Н. А. Явлинский. Все эти ученые в 1958 году были награждены Ленинской премией.

В итоге обширных работ советские физики подтвердили правильность основной идеи экспериментов. Вместе с тем они пришли к заключению, что процессы разряда в плазме протекают гораздо сложнее, чем представлялось до опытов, и несколько иначе, чем хотелось бы. Но самое главное заключается в том, что в результате исследований удалось открыть ряд важных явлений, знание которых указало пути новых исканий.

СИЛЬНЕЕ МОЛНИИ

Опыты с разрядами в плазме принадлежат к числу труднейших исследований экспериментальной физики.

Чтобы вызвать к жизни явления, предсказанные теорией, пришлось применить колоссальные электрические поля и ничтожные по длительности импульсы тока огромной силы. События в разрядных трубках разворачивались с молниеносной быстротой — меньше, чем за миллионные доли секунды. И изучить их можно было лишь при помощи сложнейшей, специально разработанной аппаратуры.

Физики применяли быстродействующие осциллографы, где неуловимые электрические процессы фиксировались движением электронного луча по светящемуся экрану. На службу были поставлены приборы сверхскоростной киносъемки, делающие за секунду до двух миллионов кадров. Для мгновенного фотографирования использовали затворы электровзрывного действия.

В фарфоровые разрядные трубки со стеклянными окошками были введены многочисленные зонды — прополочные катушечки, петельки, игольчатые электроды — для улавливания электрических и магнитных характеристик явлений. Давление в трубке измерялось тончайшими пьезоманометрами.

Естественно возникло сомнение: не исказит ли это множество измерений исследуемые процессы? Серия экспериментов убедила ученых, что такие опасения не напрасны— разряды могут быть изучены более или менее надежно лишь при условии введения соответствующих поправок в истолкование наблюдений.

И вот включаются рубильники для решающих экспериментов. От батареи конденсаторов, заряженной до 20—50 тысяч вольт, в трубки на атомы газа низвергается огромная сила электрического поля. Токи разрядов достигают сотен тысяч и даже миллионов ампер. В плазме выделяется колоссальная мощность — до 40 миллионов киловатт, что выше мощности сильнейшего удара молнии.

Опыты повторяются множество раз — в трубках разных размеров (диаметром от 5 до 60 сантиметров) и длиной разрядного промежутка от нескольких сантиметров до двух метров. Чтобы лучше уяснить закономерности разряда, кроме водорода и дейтерия, трубки наполняются другими газами — гелием, аргоном, ксеноном и газовыми смесями: дейтерия с гелием, дейтерия с аргоном, дейтерия с ксеноном. В широких пределах меняется начальное давление газа — от 0,005 миллиметра ртутного столба до одной атмосферы.

Работают точнейшие приборы, фиксируя все подробности фантастически быстрых процессов гигантской мощности. Составляются протоколы, таблицы, лабораторные дневники. Систематизируется уникальнейший фото- и киноматериал. Над расшифровкой бесчисленных показаний аппаратуры кропотливо трудятся вычислители, вскрывают запутанную логику событий физики-теоретики. И постепенно подлинная картина процессов, происходящих в разрядных- трубках, начинает проясняться.

Какова же она?

В РАЗРЯДНЫХ ТРУБКАХ

В первые мгновения после пробоя и начала ионизации газа импульс тока движется вдоль самых стенок трубки. Это поверхностное распределение высокочастотных токов давно известно в электротехнике и носит название скин-эффекта.

Но разрядный ток молниеносно нарастает. Растет и сила рожденного им собственного магнитного поля. Из-за этого пленка плазмы начинает отрываться от стенок. Кольца силовых линий стягивают ее к середине трубки, сдавливают ее, словно растянутые, а потом отпущенные резиновые колечки. Пинч-эффект делает свое дело.

Плазменная цилиндрическая пленка с колоссальной скоростью сжимается, удаляясь от стенок к центру. При начальном давлении газа в 0,1 миллиметра ртутного столба скорость сжатия доходит до 120 километров в секунду. Через несколько микросекунд хаос сталкивающихся вблизи оси трубки частиц набирает предельную силу — температура в плазменной струйке приближается к миллиону градусов! До этого ни при каких лабораторных опытах не удавалось достичь столь сильного нагрева вещества.

Но не зря говорят: «Как аукнется, так и откликнется».

Лишь ничтожные мгновения длится натиск плазменных частиц, гонимых магнитным полем. Вслед за сжатием утрамбованный шнур плазмы силой собственного газового давления стремится снова расшириться. Возникают пульсации плазменного ручья, он делается неустойчивым. Едва заметные местные увеличения толщины шнура мгновенно раздуваются и нарушают устойчивость разряда. Так же действуют и крошечные уменьшения толщины плазменного ручейка. Они тоже влекут за собой разрыв шнура и прекращение разряда.

Итак, многие предсказания теории опытом подтверждены. Магнитное поле оттянуло разряд от стенок трубки и изолировало его. Впервые в истории науки в лабораторных условиях, без всякой бомбы получен колоссальный нагрев вещества — в миллион градусов. Это уже огромный успех.

Эксперименты открыли и немало новых явлений. Стало известно, что в плазменном разряде сжатие не уравновешивается газовым давлением. Процесс получается нестационарным. Едва возникнув, он начинает пульсировать и затухает.

Выяснилось и другое очень важное обстоятельство: оказалось, что развитием разряда в некоторых пределах можно управлять извне. Разрядную трубку помещали внутрь проволочной катушки с электрическим током. Внутри катушки, а следовательно, и в разрядной трубке, возникало продольное (направленное по оси трубки) магнитное поле. И плазменный разряд в таком снаружи наложенном магнитном поле протекал дольше, чем без него. Об этом мы еще поговорим впереди.

И, наконец, еще одно интересное наблюдение.

ТАИНСТВЕННЫЕ НЕЙТРОНЫ

При миллионе градусов термоядерные реакции в дейтерии почти не происходят: слишком толста еще броня сил электрического отталкивания, слишком мало шансов на совершение «чуда» подбарьерного перехода, о котором вы читали в главе «Право сиять». Слияния дейтонов там необычайно редки, и зафиксировать их практически невозможно.

Каково же было удивление экспериментаторов, об наруживших в 1952 году, что во время плазменного разряда в дейтерии... выделяется довольно много нейтронов. Казалось бы, налицо верный признак термоядерного развития реакции: 

Кое-кто, вспоминают участники исследований, начал тогда скакать от радости на одной ноге. Кое у кого возникло сомнение в отрезвляющих предвидениях теории и забрезжила надежда на «преждевременный» термоядерный процесс. Но характер нейтронного излучения оказался совсем не тем, который мог наблюдаться при термоядерной реакции.. И истинная причина появления загадочных нейтронов вскоре стала проясняться.