ЦАРСКОГО ПУТИ В ТЕРМОЯДЕ НЕТ
Доктор физико-математических наук Вячеслав СТРЕЛКОВ, _советник РНЦ «Курчатовский институт»_
С наибольшей полнотой талант Льва Андреевича Арцимовича как ученого и организатора науки раскрылся в последние два десятилетия его жизни,
когда он возглавлял чрезвычайно важные и столь же трудные в научном и техническом отношении исследования горячей плазмы, связанные с программой управляемого термоядерного синтеза (УТС). Во многом благодаря ему она заняла лидирующие позиции в мире, а созданные под его руководством токамаки стали прообразом будущих термоядерных реакторов.
В рабочем кабинете Отделения физики и астрономии АН СССР.
На I Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Зальцбурге (Австрия) в 1961 г.
Особенность физики плазмы как науки состоит в том, что объектом ее изучения является искусственная субстанция — горячая плазма, а целью — познание ее свойств. Температура вещества в несколько тысяч градусов, достигаемая стационарно в земных условиях или на поверхности Солнца, — ничто по сравнению с 10 млн °С, необходимыми для получения интенсивных реакций синтеза. Такие параметры можно получать, используя взрывные нестационарные устройства или же стационарные установки с магнитным полем для термоизоляции горячей плазмы.
В Институте атомной энергии (ныне РНЦ «Курчатовский институт») в Отделе плазменных исследований, возглавляемом Арцимовичем, с 1950-х годов развивали оба направления: изучали импульсные или, как тогда их называли, «быстрые» процессы и медленные, основанные на концепции тороидального магнитного термоядерного реактора, предложенной в 1950 г. физиками-теоретиками Игорем Евгеньевичем Таммом и Андреем Дмитриевичем Сахаровым.
Эксперименты в ее обоснование шли в середине 1950-х годов на установке ТМП (тор с магнитным полем) в секторе Натана Ароновича Явлинского — выдающегося инженера-физика, стоявшего у истоков «токамачного» направления. Их суть заключалась в том, чтобы удержать плазму в спиральном тороидальном магнитном поле и нагревать, пропуская через нее электрический ток. Арцимович, почти полностью переключившийся тогда на термоядерные задачи, принимал в них живое участие. Сотрудники называли его не иначе, как «Лев». И это было не приметой времени (имена и фамилии «главных» по при-
чине секретности упоминали тогда не часто), а скорее формой выражения почтения. Причем величали его так не только вчерашние выпускники вузов, но и начальники секторов и лабораторий. Кто-то шутил: Лев дремлет во главе отдела и бросается на добычу, если видит что-то интересное. Действительно, после обсуждения основных направлений он не вмешивался в текущую работу. Но когда в теории или эксперименте появлялся нетривиальный результат, тут же возникали дискуссии, вопросы, предложения.
Вспоминаю события конца 1957 — начала 1958 гг.. когда британский научный журнал «Nature» опубликовал сообщение о сенсационных достижениях английских физиков, получивших высокие параметры горячей плазмы на тороидальной установке «Зета». Величины магнитного поля в ней и токе, текущем по плазменному шнуру, были, в отличие от идеи токама-ка, сравнимы между собой. Во время импульса с ростом тока должно было происходить сжатие плазмы, ее отрыв от стенок камеры и рост температуры. Сотрудники Курчатовского института обратили внимание, в частности, и на то, что давление плазмы, вычисленное по данным англичан, выше давления удерживающего ее магнитного поля. Михаил Александрович Леонтович, руководивший теоретическими работами по управляемому термоядерному синтезу, предложил Арцимовичу отправить в «Nature» сообщение по поводу этого несоответствия. Но тот не торопился: достоверных данных было слишком мало. Только через два года будет ясна ошибочность результатов «Зеты». Тем не менее информация об экспериментах на ней способствовала расширению фронта наших исследований горячей плазмы в тороидальных системах.
Сотрудники Курчатовского института, удостоенные в 1971 г. Государственной премии за цикл работ «Получение и исследование высокотемпературной термоядерной плазмы на установках токамак». Слева направо: Сергей Мирное, Евгений Горбунов, Артур Ус, Вячеслав Стрелков, ЛевАрцимович, Ксения Разумова, Алексей Спиридонов, Владимир Муховатов, Виталий Шафранов, Денис Иванов.
В 1968 г. на токамаке Т-3 получили температуру ионов 0,4 кэВ при рекордной для того времени длительности удержания плазмы 10 мс.
Академик Игорь Васильевич Курчатов*, первым в мире заявивший в 1956 г. в Харуэлле (Великобритания) о существовании проблемы УТС, считал: она близка к решению, вопрос только в том, кто быстрее (мы или они?) построит первый термоядерный реактор. По его инициативе в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (Ленинград) рекордными темпами сооружали установку «Альфа» - копию упомянутой «Зе-ты». Через восемь месяцев на ней уже шли эксперименты с участием сотрудников Политехнического и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, понявших причину ошибок англичан в измерениях ионной температуры. Но это был не самый важ-
*См.: Е. Велихов. Его мечта - создать солнце на Земле. - Наука в России, 2003, N6 1 (прим. ред.).
ный результат. Елавное, в Ленинграде возник второй центр плазменных исследований.
Параллельно в Курчатовском институте шли работы на установке Т-1, с легкой руки талантливого экспериментатора, доктора физико-математических наук Игоря Николаевича Еоловина названной тока-маком (тор-магнит-камера). На ней и последующей серии малых и крупных установок (ТМ-1, ТМ-2, Т-1, Т-2, Т-3) в отделе Арцимовича во главе с Явлинским изучили условия зажигания безэлектродных разрядов, экспериментально подтвердили теоретический вывод о том, что для макроскопической устойчивости плазмы требуется выполнение определенных соотношений между величиной тока, тороидального магнитного поля и геометрическими размерами установки. Тогда же были проведены измерения
В 1975 г. в Курчатовском институте вступил в строй крупнейший в то время токам а к Т-10.
Сегодня
программа исследований наТ-10 тесным образом связана с созданием Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР во Франции.
мощности жесткого и мягкого рентгеновского и ультрафиолетового излучения из плазмы - именно оно, как выяснилось, а не теплопроводность или плохое удержание горячих частиц является основным каналом потерь тепла (выноса энергии).
К несчастью, Явлинский трагически погиб в 1962 г. в авиационной катастрофе. Молодой коллектив — около 40 сотрудников, старшему из которых не было и 40, остался без руководителя. И Арпи-мович, начальник отдела Института атомной энергии, к тому же академик-секретарь Отделения общей физики и астрономии АН СССР, заведующий кафедрой МГУ им. М.В. Ломоносова, после некоторых колебаний возглавил этот сектор. Причем руководил не формально, а с интересом, вникая во все детали.
Глубина физического мышления Льва Андреевича отражалась на работе всех сотрудников. Поражало его умение выделить из разрозненных фактов четкую картину явления, соответствующую общим законам природы. Например, исследователи уже понимали причину странной «двугорбой» формы осциллограммы тока в установке Т-2. Однако окончательную ясность в этом вопросе внесла статья Арцимовича и Карташева, стимулировавшая дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных исследований равновесия плазмы в тороидальных системах.
Кстати, Лев Андреевич не пропускал еженедельных семинаров по токамакам, оживленно дискутируя на них. Обсуждения продолжались в его кабинете, причем без учета чинов и званий присутствующих. Казалось, многочисленные обязанности не ос-
Первый в мире токамак 1-7со сверхпроводящими обмотками, вступивший в строй в 1978 г.
тавляли ему времени для анализа частных экспериментов (ведь из Института он постоянно уезжал в Академию наук или министерство), однако на следующий день приходил с продуманными предложениями, вопросами или возражениями по обсуждавшейся теме.
И вот основной итог первого десятилетия: термоизоляция плазмы в токамаке не ухудшается с ростом ее температуры. Это обстоятельство наряду с достижениями теоретиков открывало перспективу создания термоядерного реактора. Между тем эксперименты на стеллараторах* в США говорили об обратном. Впервые о расхождении с американскими данными Арцимович и его коллеги заявили в 1967 г. — в статье, опубликованной в отечественном журнале «Атомная энергия». Однако научный мир признал этот факт значительно позднее, когда в «Nature» появилось сообщение по итогам советско-английского эксперимента, проведенного в 1969 г. в Курчатовском институте**. Примененный тогда для измерения температуры электронов новый метод лазерного рассеяния подтвердил наши выводы.
Вот что писала по этому поводу в октябре 1969 г. англоязычная газета «International Herald Tribune», выходящая в Европе: «Английские ученые, которые привезли в Москву пять тонн оборудования для проверки советского заявления, встреченного со скептицизмом на Западе, обнаружили, что русские даже
*Стелларатор - ловушка с замкнутыми магнитными поверхностями. Но, в отличие от токамака, образующее их полоидальное магнитное поле создается током во внешних витках. Идею такой установки выдвинул в 1951 г. американский физик Лайман Спитцер. Первый стелларатор появился в Принстонской лаборатории физики плазмы, США (прим. ред.).
**См.: Е. Велихов. Термоядерное горение. - В этом номере журнала (прим. ред.)
недооценили своего успеха...». Здесь следует заметить: мы, конечно, оценили, но называли нижнее значение температуры электронов из возможных в пределах ошибок. Метод лазерного рассеяния давал более точные цифры, и они, естественно, оказались выше. «Эти результаты, — продолжала газета, — вдохнули новую жизнь в усилия по созданию термоядерного реактора».
Итак, первый в истории УТС международный эксперимент определил токамак как основное направление дальнейшего поиска по магнитному удержанию плазмы во всем мире. Подчеркну: Лев Андреевич всегда придавал большое значение обмену информацией. Еще в 1958 г. в докладе на 2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.