Термоядерная реакция знакома каждому землянину, который любит погреться в солнечных лучах.

– Всем известно, что наше Солнце – это большой термоядерный реактор! – сказала Галатея.

– Да, Солнце и остальные звёзды светят миллиарды лет благодаря медленному термоядерному горению водорода и гелия в центре звёзд, – подтвердила Дзинтара.

– Как может там гореть гелий? Да и водород тоже – ведь там нет кислорода? – заинтересовалась Галатея.

– Термин «горение» в данном случае подразумевает совсем не тот огонь, который возникает в костре или камине. Вот пример термоядерной реакции: берём четыре ядра атома водорода, или четыре протона, и пытаемся сблизить их так, чтобы они соединились в одно ядро атома гелия. Если нам удастся это трудное дело, то в ходе слияния этих протонов выделится много энергии в виде гамма-квантов и позитронов – античастиц электрона.

– А почему это дело трудное? И если мы тратим силы на это сближение, то откуда потом возникает энергия? – спросила Галатея.

– Та задаешь отличные вопросы! – похвалила Дзинтара дочь. – Почему трудно сблизить протоны? Потому что они заряжены положительно, и при их сближении, согласно закону Кулона, они начинают отталкиваться друг от друга электрическими силами.

– Но ведь можно сближать не протоны, а атомы водорода, которые нейтральны! – нашёл выход Андрей.

– В этом предложении есть рациональное зерно, но беда в том, что электроны, которые могут нейтрализовать заряд протона, располагаются далеко от него. Для превращения протонов в гелий, их надо сближать очень сильно – на расстояние гораздо меньшее, чем радиус первой электронной оболочки. На таких расстояниях нейтрализация электронами уже не работает. Если нам всё-таки удаётся сблизить протоны на такое маленькое расстояние, то дальше вступают в дело ядерные силы притяжения – они настолько могучи, что легко преодолевают электрическое отталкивание протонов и прочно склеивают их друг с другом.

Чтобы лучше понять баланс двух сил – электростатической и ядерной, представьте себе кратер глубиной в километр – он будет аналогом потенциальной ямы ядерного притяжения – вокруг которого существует пологий вал выброшенного вещества, который будет аналогом электростатического отталкивания. Этот вал – невысокий, как холм, но если нам нужно закатить на этот холм тяжёлый шар, то придётся потрудиться. А вот с вершины вала шар сам покатится внутрь глубокого кратера, где будет сталкиваться с другими шарами и производить сильный шум – то есть испускать сильные звуковые волны, которые в нашем примере будут аналогами гамма-квантов.

– А как Солнцу удаётся преодолеть электростатическое отталкивание протонов и запустить термоядерную реакцию? – спросил Андрей.

– Солнцу помогает его огромная масса и размер: благодаря им в центре Солнца достигается огромная температура и давление. Для термоядерной реакции в дейтериево-тритиевой смеси должен выполняться так называемый критерий Лоусона: если взять и перемножить количество протонов в кубическом сантиметре на время удержания плазмы в секундах, то термоядерная реакция начнется, когда это произведение будет больше десяти в 14-й степени.

– Это сколько будет в миллиардах? – спросила Галатея.

– Это будет сто тысяч миллиардов. Критерий Лоусона говорит, что для реакции вы должны создать очень плотную и горячую плазму – или плотную и очень горячую. На Земле создать солнечное давление и температуру очень непросто. Пытаться сжимать горячую плазму – это как воздушный шарик в ладонях сжимать – он где-нибудь да вылезет маленьким пузырём. Для сжатия плазмы и удержания её в нагретом состоянии пришлось создавать специальные установки, которые должны были повторить условия на Солнце, но в сравнительно компактном объёме.

Самым перспективным термоядерным реактором оказался токамак.

Что такое токамак? Давайте рассмотрим молнию: она возникает, когда электрическая искра пробивает атмосферную толщу от земли до облака. Эта искра ионизирует воздух, создавая воздушный канал с повышенной проводимостью. По этому каналу немедленно устремляется избыток электронов, то есть у нас в воздухе возникает раскалённый шнур, по которому мчится лавина электронов. Температура внутри молнии более 20 тысяч градусов. Вокруг шнура закручивается магнитное поле, которое не даёт электронам и ионам разбредаться: оно сжимает их в тонкий жгут. Молния выполняет свою задачу по выравниванию электрических зарядов облака и земли; одновременно разогретый воздух канала расширяется и вызывает мощные звуковые волны – то есть гром, который всегда слышен после молнии, потому что звук движется медленнее света.

Теперь возьмём этот плазменный шнур молнии и свернём его в кольцо, чтобы ток не кончался, а всё время тёк по замкнутому кольцу, создавая одновременно магнитное поле, стабилизирующее кольцо.

– Так, значит, учёные решили свернуть электрического дракона в бараний рог? – покачала головой Галатея. – Смело!

– Токамак представляет собой такую свёрнутую в кольцо молнию, которая дополнительно стабилизируется мощным внешним магнитным полем, порождённым сверхпроводящими магнитами.

Токамак был придуман в 1950 году. А началась эта история в 1942 году, во время тяжёлой войны. Несмотря ни на что, университеты продолжали работать, а студенты – сдавать экзамены.

Однажды известный физик Игорь Тамм и его не менее известный коллега Михаил Леонтович принимали выпускные экзамены в Московском государственном университете. В экзаменационную аудиторию нескладной походкой зашёл высокий и худой юноша и тихим голосом представился:

– Андрей Сахаров.

Тамм и Леонтович стали экзаменовать студента по теории относительности. Андрей Сахаров отвечал, но его ответы совсем не следовали учебнику и были какими-то не очень вразумительными. Преподаватели пожали плечами, поставили студенту тройку – и отпустили.

Ночью Тамм позвонил Леонтовичу и сказал:

– Слушай, ведь этот студент всё правильно говорил! Это мы с тобой ничего не поняли – и это нам надо тройки ставить! Нужно с ним ещё поговорить.

Так Андрей Сахаров стал учеником Игоря Тамма.

В 1950 году они выдвинули идею термоядерного реактора, в котором плазма сохранялась бы в магнитной ловушке…

– Как джинн в бутылке! – воскликнула Галатея.

– Да, только плазму оказалось легче согнуть в кольцо, чем загнать в бутылку. Так возникла идея ловушки-бублика, или тора.

Вариантов работы термоядерных реакторов было придумано предостаточно: быстрый пинч-разряд в плазме; ловушки с плазменным шнуром в виде восьмёрки; плазма в шаре с микроволновым излучением; испарение маленького шарика с дейтериево-тритиевой смесью, размещённого в фокусе нескольких мощных лазеров.

Но токамак оказался самым надёжным вариантом постоянно работающей машины, поэтому по всему миру возникло множество токамаков в различных вариантах. Эти устройства помогли учёным достичь важного прогресса. Например, в 1997 году европейский токамак получил 16 мегаватт полезной энергии.

Как показали опыты, чем больше токамак, тем легче на нём достичь критерия Лоусона…

– Ну Солнце об этом давно догадалось! – фыркнула Галатея.

– …поэтому самый передовой международный реактор ИТЕР является и самым большим по размерам. Характеристики ИТЕР впечатляют: он весит 5000 тонн – вполовину веса Эйфелевой башни. Температура трития в нём достигает 150 миллионов градусов, что почти в 10 раз больше, чем в ядре Солнца.

– Наверное, плотность плазмы в этом токамаке будет не такая большая, как в центре Солнца? – догадался Андрей.

– Верно. Прогресс в термоядерной энергетике оказался очень непростым и очень дорогостоящим. Плазма в термоядерных реакторах коварна: так и норовит сбежать из магнитных ловушек. На каждый ее каприз нужно придумывать способ противодействия. Поэтому учёные всё время ищут возможности для облегчения термоядерного синтеза – и одна из возможностей перекликается с идеей Андрея: нейтрализовать ядра водорода или тритий перед синтезом.

Андрей немедленно возгордился, за что младшая сестра тут же пнула его в лодыжку. Младшие сестры должны следить за старшими братьями, чтобы те не очень заносились.

– Но электроны для этой задачи годятся плохо, поэтому возникла идея вместо электронов использовать отрицательные мюоны. Они в 207 раз тяжелее электронов, поэтому мюонная орбита располагается к ядру гораздо ближе электронной. Из-за этого температура, необходимая для начала термоядерной реакции, сильной понижается. Действительно, облучение мюонным пучком водородной смеси позволило гораздо легче получить термоядерную реакцию. Это явление получило название мюонного катализа. Проблема в том, что получать мюоны можно только на ускорителях, они нестабильны и их нельзя хранить. Тем самым мюонный катализатор термояда оказывает дороже электричества, которое при этом производится. Так что учёным есть над чем поломать головы, прежде чем термоядерные реакторы заработают по всей земле и дадут человечеству дешёвую энергию при минимальных радиоактивных отходах.

– Не волнуйся, мама, мы поможем! – сказал Андрей, а сестра в знак согласия мотнула не ногой, а головой.

Примечания для любопытных

Михаил Александрович Леонтович (1903–1981) – видный советский физик-теоретик, один из создателей советской школы физики плазмы. Академик АН СССР.

Андрей Дмитриевич Сахаров (1921–1989) – выдающийся советский физик-теоретик, один из создателей водородной бомбы, академик АН СССР. Известный правозащитник и диссидент, лауреат Нобелевской премии мира за 1975 год.

Джон Лоусон (1923–2008) – видный британский инженер и учёный, получивший широко известный критерий старта термоядерной реакции (критерий Лоусона).

Окно (туннель) Гамова – частицы могут преодолевать электростатический барьер Кулона благодаря просачиванию под барьером с помощью окон или туннелей Гамова, возникающих из-за квантово-механических эффектов. Этот эффект был исследован выдающимся русско-американским физиком Г. А. Гамовым, поэтому носит его имя.

Токамак – хитроумное электромагнитное устройство, мощным магнитным полем сжимающее горячую плазму в кольцо, вдоль которого течёт сильный электрический ток. Если водородную плазму в токамаке сделать достаточно горячей и плотной, то в ней начнётся термоядерная реакция.