Воспоминания - Андрей Сахаров

- Есть у вас ускоритель на 600 Мэв? Ах, нет! В таком случае, вы управдом, а не директор.

Все это было не позой, а существом его натуры, всепоглощающей страстью. Он выработал себе концепцию, что основные, самые фундаментальные законы природы в "обнаженной", не искаженной форме должны проявиться в физике предельно высоких энергий. Вопрос был только в том, чему равны эти энергии, и надо было провести опыты с частицами, обладающими ими. Развитие науки в последующие тридцать лет, по-видимому, подтверждает это предположение. К сожалению, Исаак Яковлевич прожил только половину этого срока и многого уже не увидел. А что-то - и, быть может, самое главное - не увидим и мы, ныне живущие. И. Я. томился на объекте, вероятно, два (или четыре) месяца. Потом начальство поняло, что все же лучше его отпустить. Он вернулся к своей работе и жене.

ГЛАВА 9

Магнитный термоядерный реактор. Магнитная кумуляция

К первым объектовским годам (1950-1951) относится наша совместная с Игорем Евгеньевичем Таммом работа по проблеме управляемой термоядерной реакции.

Я начал думать, как я уже писал, об этом круге вопросов еще в 1949 году, но без каких-либо разумных конкретных идей. Летом 1950 года на объект пришло присланное из секретариата Берии письмо с предложением молодого моряка Тихоокеанского флота Олега Лаврентьева. В вводной части автор писал о важности проблемы управляемой термоядерной реакции для энергетики будущего. Далее излагалось само предложение. Автор предлагал осуществить высокотемпературную дейтериевую плазму с помощью системы электростатической термоизоляции. Конкретно предлагалась система из двух (или трех) металлических сеток, окружающих реакторный объем. На сетки должна была подаваться разница потенциалов в несколько десятков Кэв, так чтобы задерживался вылет ионов дейтерия или (в случае трех сеток) в одном из зазоров задерживался вылет ионов, а в другом - электронов. В своем отзыве я написал, что выдвигаемая автором идея управляемой термоядерной реакции является очень важной. Автор поднял проблему колоссального значения, это свидетельствует о том, что он является очень инициативным и творческим человеком, заслуживающим всяческой поддержки и помощи. По существу конкретной схемы Лаврентьева я написал, что она представляется мне неосуществимой, так как в ней не исключен прямой контакт горячей плазмы с сетками и это неизбежно приведет к огромному отводу тепла и тем самым к невозможности осуществления таким способом температур, достаточных для протекания термоядерных реакций. Вероятно, следовало также написать, что, возможно, идея автора окажется плодотворной в сочетании с какими-то другими идеями, но у меня не было никаких мыслей по этому поводу, и я этой фразы не написал. Во время чтения письма и писания отзыва у меня возникли первые, неясные еще мысли о магнитной термоизоляции. Принципиальное отличие магнитного поля от электрического заключается в том, что его силовые линии могут быть замкнутыми (или образовывать замкнутые магнитные поверхности) вне материальных тел, тем самым может быть в принципе решена "проблема контакта". Замкнутые магнитные силовые линии возникают, в частности, во внутреннем объеме тороида при пропускании тока через тороидальную обмотку, расположенную на его поверхности (рис. 6). Именно такую систему я и решил рассмотреть.

Рис. 6

В начале августа 1950 года из Москвы вернулся Игорь Евгеньевич - кажется, ему был предоставлен кратковременный отпуск. Он с огромным интересом отнесся к моим размышлениям - все дальнейшее развитие идеи магнитной термоизоляции осуществлялось нами совместно. Вклад И. Е. был особенно велик во всех расчетах и оценках и в рассмотрении основных физических концепций магнитного дрейфа, магнитных поверхностей и некоторых других. Первоначально я предложил назвать нашу тему ТТР (тороидальный термоядерный реактор), но И. Е. придумал более общее и удачное название МТР (магнитный термоядерный реактор); это название привилось, оно применяется и к другим схемам с магнитной термоизоляцией.

Рис. 7

Первая (еще не самая серьезная) трудность, на которую мы обратили внимание, была проблема магнитного дрейфа. Общая картина движения заряженной частицы (иона или электрона) в сильном магнитном поле - спираль, "навитая" на магнитную силовую линию. Радиус витков спирали обратно пропорционален магнитному полю и называется "ларморовским радиусом". Таким образом, двигаясь вдоль силовой линии, частица не выходит из реакторного объема и не соприкасается со стенками, если сами силовые линии не выходят к стенкам. Это и есть принцип магнитной термоизоляции. Но приведенная картина справедлива лишь приближенно, с точностью до параметра, определяемого отношением ларморовского радиуса к радиусу кривизны магнитной силовой линии. Из-за неоднородности магнитного поля в общем случае возникает смещение центра ларморовской окружности, уводящее его с магнитной силовой линии ("магнитный дрейф"). Кроме того, возможен дрейф, вызванный электрическими полями ("электрический дрейф"). Происхождение явления дрейфа легко понять - см. рис. 7; на этом рисунке предположено, что магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа, а напряженность возрастает в направлении оси Х. Кривизна траектории движения заряженной частицы пропорциональна величине магнитного поля и больше в точке В, чем в точке А; в результате траектория частицы (точней, ее проекция на плоскость, перпендикулярную вектору магнитного поля) оказывается незамкнутой, что изображено на рисунке (дрейф в направлении оси Y). Аналогично действует направленное вдоль оси Х электрическое поле. Магнитное поле, созданное тороидальной обмоткой (в отсутствие плазмы) внутри тороида, совпадает с полем прямого тока, текущего вдоль оси вращения; его напряженность обратно пропорциональна расстоянию до оси вращения. В результате возникает дрейф (смещение) заряженных частиц в направлении, параллельном оси вращения, и они попадают на стенку тороидального объема.

Рис. 8

Выход из этой трудности - в рассмотрении систем, в которых, кроме поля, созданного тороидальной обмоткой, есть еще налагающееся на него поле, созданное циркулярным током, текущим внутри тороидального объема (рис. 8). В таких системах уже нет замкнутых магнитных силовых линий, но есть замкнутые магнитные силовые поверхности, охватывающие циркулярный ток. Магнитные силовые линии спирально навиваются на эти поверхности, опять никуда не выходя за пределы внутреннего объема. О магнитных поверхностях есть упоминание еще в курсе И. Е. "Основы теории электричества", написанном задолго до того, как они нам понадобились. В 1950-1951 гг. И. Е. развил эти идеи. Важный вклад (на этом этапе) внес также Н. Н. Боголюбов. В дальнейшем математическую проблему магнитных поверхностей продолжали разрабатывать другие ученые. Мы показали еще в 1950 г., что, хотя магнитный дрейф в таких системах и происходит, он уже не выводит частицы за пределы ограниченного объема. Игорь Евгеньевич сделал тогда еще одно наблюдение, на много лет опередившее развитие МТР. Он указал, что крайне опасно возникновение таких нарушений структуры (топологии) магнитных поверхностей, при которых некоторые магнитные силовые линии могут быть "стянуты в точку" внутри тороидального объема. Такая "бананная", как ее называют, структура может возникнуть, например, из-за неправильностей в изготовлении тороидальной обмотки или из-за плазменных неустойчивостей (см. далее) - и приводит к колоссальному увеличению теплоотвода. В наших первых предложениях мы рассматривали две возможности создания циркулярного тока - при помощи специального кольца с током, расположенного внутри реакторного объема, и при помощи индукционного тока, текущего непосредственно по плазме и созданного импульсными токами в расположенных вне тороидального объема дополнительных циркулярных обмотках. Эта последняя система наиболее близка к системе "Токамак", которая сейчас (1982 г.) представляется одной из наиболее перспективных во всей проблеме управляемой термоядерной реакции. Мы написали отчет-предложение и, что тогда было важнее, рассказали о наших идеях И. В. Курчатову.

В начале 1951 г. (или в конце 1950-го) на объект прибыла комиссия для рассмотрения наших предложений. В комиссию входили Лев Андреевич Арцимович и Михаил Александрович Леонтович, впоследствии возглавившие работы по МТР. Председателем был Арцимович. И. Е. и я сделали серию докладов, в которых, кроме вышеизложенного, осветили и другие вопросы - первые оценки эффективности системы, если "все получится"; при этом рассматривались системы как с чистым дейтерием, так и со смесью дейтерия с тритием (которые представляются более реальными), пристеночные эффекты и многое другое. Важное мое предложение об использовании нейтронов термоядерного реактора для целей бридинга - т. е. для производства при захвате нейтронов урана-233 из тория-232 и плутония-239 из природного урана-238 - вероятно, было сформулировано несколько позже приезда комиссии. Так как выделение энергии на один акт реакции при процессе деления гораздо больше, чем при процессе синтеза, экономические и технические возможности такого комбинированного двухступенчатого производства энергии оказываются выше, чем при получении энергии непосредственно в термоядерном реакторе. Делящиеся материалы производятся при этом в МТР и затем сжигаются в атомных реакторах сравнительно простой конструкции, более простых, чем реакторы на быстрых нейтронах, в которых к тому же накопление делящихся материалов происходит сравнительно медленно. Может быть, я упоминал об этом предложении, но оно не привлекло внимания. Главное внимание при обсуждении было посвящено вопросу о так называемых плазменных неустойчивостях (подробней о них ниже). Именно ими определяется принципиальная осуществимость МТР. Мы с И. Е. знали об этом кое-что и, конечно, опасались их влияния, но надеялись, что в достаточно больших системах и за достаточно малое время (например, в импульсных термоядерных реакторах) они не скажутся в той мере, чтобы сделать невозможным осуществление МТР. Существовавшие в то время теории турбулентной плазменной диффузии в магнитном поле давали очень большие значения коэффициента теплоотвода (хотя и меньше, чем в отсутствие магнитного поля). Если бы эти теории были справедливы и применимы к МТР, то МТР был бы практически невозможен или очень сложен и громоздок в осуществлении и не экономичен. Но мы не знали об этом летом 1950 года. А когда Арцимович рассказал нам про эти теории, то и мы, и он уже видели перед собой большие перспективы и не хотели отступать без борьбы. Повторилась почти точно (внешне) ситуация, отраженная в известной притче Эйнштейна - как совершаются изобретения. Сначала все специалисты говорят, что это невозможно, и приводят веские аргументы. Потом появляется невежда, который всего этого не знает, и он-то и делает изобретение. Не следует все же понимать эту притчу слишком буквально; "невежда" должен быть на уровне современных научных знаний и еще обладать рядом качеств - иначе ничего не получится; лучше же всего, если он знает о трудностях, но обладает интуицией, чтобы их не бояться даже и тогда, когда еще не может обосновать свою правоту строго логически. В какой-то мере у нас была именно эта ситуация. Но главная особенность истории разработки МТР была в том, что неустойчивости действительно чрезвычайно опасны и их очень много различных типов, о которых никто тогда не подозревал. Неустойчивости простейшего типа - так называемые гидродинамические, т. е. такие, в которых плазму можно трактовать макроскопически как непрерывную среду. Они же оказались самыми "вредными". Пример гидродинамической неустойчивости - образование "перетяжки" на плазменном шнуре, по которому течет ток. Ток создает вокруг шнура циркулярное магнитное поле, сжимающее шнур своим давлением p = H2/8p. Напряженность поля обратно пропорциональна радиусу, поэтому в точке "перетяжки" поле и его давление больше, что приводит к еще большему углублению перетяжки. Это и есть неустойчивость - случайно возникшая самая неглубокая перетяжка за короткое время углубляется настолько, что шнур в этом месте "рвется". Экспериментаторы ЛИПАНа наткнулись на это явление при самых драматических обстоятельствах. Они производили опыты с дейтериевой плазмой, создавая мощные импульсные разряды. Как и следовало ожидать, плазменный шнур сжимался магнитным полем. Предполагалось, что при этом сильно возрастают давление, плотность и температура внутри шнура. По оценкам в их экспериментах не должно было наблюдаться никаких нейтронов от ядерной реакции, но на всякий случай у них была аппаратура для их регистрации. И вдруг эта аппаратура показала образование некоторого (небольшого) количества нейтронов в момент импульса. Возникла ослепительная надежда, что почему-то температура и плотность плазмы оказываются выше, чем по расчетам, и происходит термоядерная реакция! Было от чего закружиться голове. К счастью, у Арцимовича, Леонтовича и большинства экспериментаторов и теоретиков ЛИПАНа головы не закружились. Арцимовичем была высказана гипотеза, впоследствии подтвердившаяся, что в этих опытах имеет место разрыв плазменного шнура в результате "перетяжечной" неустойчивости, а так как по шнуру течет электрический ток большой силы, в точке разрыва возникает электрическое поле (по существу это то же самое явление, которое "наблюдал" когда-то своими пальцами я, размыкая ток батарейки, текущий через обмотку игрушечного моторчика). Электрическое поле ускоряет ядра, находящиеся в точке разрыва, и они взаимодействуют с другими ядрами. Т. е. происходит то же, что в обычной ускорительной трубке. Ядерная реакция действительно имеет место, но это не термоядерная реакция! В дальнейших экспериментах пытались увеличить наблюдаемый эффект, применяя импульсные токи большей величины. Если бы мы имели дело с термоядерной реакцией, то можно было бы ожидать резкого увеличения выхода нейтронов. Но ничего подобного не наблюдается. Это была просто ускорительная трубка, причем плохая. Сенсация развеялась, но, конечно, само явление было очень интересным. История с "фальшивыми" нейтронами получила некоторое отражение в фильме режиссера Михаила Ромма "Девять дней одного года", вышедшем на экраны в 60-х годах; недавно его вновь показывали по телевизору. Игорь Евгеньевич рассказывал мне тогда некоторые подробности его предыстории. Первоначально Ромм обратился за материалами для будущего фильма к проф. Василию Семеновичу Емельянову, тогда начальнику Управления по мирному использованию атомной энергии. (Емельянов - старый большевик, автор нескольких книг воспоминаний; в 60-е годы он выступил в "Правде" с резкими нападками на писателя Виктора Некрасова за умаление роли рабочего класса, тоже в связи с кино.) Что Ромму рассказал Емельянов - мне неизвестно; он любит и умеет поговорить. Но он направил Ромма к И. Е. С Игорем Евгеньевичем Ромм разговаривал несколько раз. Тема была - история МТР. Герой фильма - Гусев - имеет имя и отчество, напоминающие мои - Дмитрий Андреевич, но он экспериментатор; отец его живет в деревне (воплощает народную мудрость). Ромм пытался в своем фильме показать изнутри жизнь научно-исследовательского ядерного института, пафос и психологию работы над мирной (и - за кулисами - немирной) термоядерной тематикой. Мне первоначально фильм скорее понравился; теперь мне кажется, что его портит слишком большая "условность" большинства ситуаций. Для самого Ромма фильм явился как бы переходной ступенью от "Ленина в Октябре" к замечательному и волнующему "Обыкновенному фашизму".