ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ. Что это за реакция?
Возьмем условно случай образования ядра атома гелия ^Не путем слияния двух ядер тяжелого водорода   ^Н. Условно потому,  что осуществить такую реакцию, о чем будет сказано ниже, пока труднее, чем другие. Выделяющаяся при этом энергия 23,64 Мэв равна разности между полной энергией связи ядра атома гелия (28,2 Мэв), удерживающей вместе четыре нуклона, и полной энергией связи двух ядер тяжелого водорода (по 2,28 Мэв каждый), удерживающей лишь по два нуклона в ядре.
Как видим, чтобы высвободить столь огромное количество энергии, нужно солидно и «потратиться». В этом пока ничего удивительного нет. Самое неприятное   заключается   в  следующем;  слияние двух ядер тяжелого водорода возможно в том случае, если энергия каждого из них будет не менее 20 кэв. А ее они могут приобрести только в том случае, если дейтерий нагреть до температуры порядка 200 млн. градусов! Это очень и очень много, если учесть, что при обычной комнатной температуре тепловая энергия частиц воздуха равна только 0,25—0,3 эв (см. Тепло, Температура). Только при такой температуре, существующей лишь в недрах очень горячих звезд, станет возможным преодолеть взаимное отталкивающее действие двух положительно заряженных ядер тяжелого водорода и «втолкнуть» их в сферу действия других, еще более мощных и уже притягивающих внутриядерных сил.
Двести миллионов градусов! Такую «сверхадскую» жару невозможно представить себе даже мысленно. Тем не менее человек сумел создать ее сравнительно просто: внутри оболочки, заполненной веществами, легче всего вступающими в термоядерную реакцию, он взорвал «обычную» атомную бомбу. На какое-то очень короткое мгновение — миллионные доли секунды — температура внутри еще целой оболочки достигала нескольких сотен миллионов градусов, а давление — сотен миллиардов атмосфер. В результате начиналось слияние ядер водорода в ядра атомов гелия и выделение энергии, сопровождающееся уже вторым, еще более мощным взрывом!
Поскольку добиться слияния ядер атомов легких элементов в ядра более тяжелых атомов — водорода в гелий — и получить нужную для этого энергию движения частиц можно лишь при температурах в сотни миллионов градусов, когда все, что есть в природе, даже при более низких температурах превращается в плазму, становится вполне понятным, почему после длительных исследований ученые пришли к убеждению, что решение проб лемы  управляемой термоядерной  реакции скрыто среди многочисленных тайн плазменного состояния вещества.
Все, что говорится о плазме,— соображения больше теоретические, чем практические, ибо никто и никогда еще не видел, как ведет себя плазма, заключенная в каком-либо сосуде, при температуре 200—400 млн. градусов, если не считать вспышки атомной или водородной бомбы. Не наблюдал по той простой причине, что такие сосуды не существуют и существовать не могут. Все испарится, все распадется не только на атомные, но и уже на ядерные частицы.
Но если бы такой сосуд и нашелся, плазма в нем все равно никогда бы не нагрелась до столь высокой температуры. Почему?
В физике существует закон, по которому способность нагретого тела отдавать тепло по мере повышения температуры резко ускоряется. По закону Стефана—Больцмана излучение пропорционально четвертой степени температуры. Поэтому все попытки нагреть плазму до температуры, при которой в ней начался бы процесс слияния ядер тяжелого водорода в ядра гелия, окончатся неудачей. По достижении температуры равновесия все подводимое к плазме тепло будет передаваться стенкам сосуда, а те в свою очередь — щедро рассеят его в окружающее пространство.
Напомним, что все вышеизложенные рассуждения весьма условны, ибо не сказано самого главного: где взять источник тепла, чтобы нагреть плазму до температуры недр звезды — 200 млн. градусов?
В самом начале делу помогла... молния.
В холодном состоянии газ — отличный изолятор электричества, но до поры до времени. Уже при сравнительно невысоком электрическом напряжении в сильно разреженном газе может происходить так называемый газовый разряд. Младший представитель огромного семейства газоразрядных устройств — хорошо всем известная трубка световой рекламы.
Но что если попробовать сквозь наполненную разреженным газом трубку, обладающую огромным запасом прочности, разрядить батарею конденсаторов, заряженных до колоссально высокого напряжения — порядка пяти-шести миллионов вольт?
Такая созданная человеком искусственная молния хотя и не сможет по разрушительной силе сравниться с природной, все же позволит на ничтожно короткий промежуток времени — тысячные доли секунды — сконцентрировать в очень небольшом объеме хаотически движущихся частиц газа огромную энергию, достаточную для того, чтобы превратить в плазму заключенный в трубке газ, раскалив его до температуры поверхности Солнца — нескольких миллионов градусов.
В то же самое время, что такое газовый разряд в трубке, наполненной разреженным газом? Упорядоченное на очень короткий отрезок времени общее движение электрически заряженных частиц — свободных электронов в одном направлении, а положительных ионов в противоположном направлении.
А что такое организованное движение всей массы электронов? Электрический ток. Известно, что вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, возникает кольцевое магнитное поле. И чем сильнее ток, тем сильнее будет создаваемое им вокруг самого себя магнитное поле. Если такой текущий в одном направлении ток пропустить по пучку параллельных проводников, то магнитное поле с большой силой немедленно сожмет их вместе. Идеально ионизированная плазма и является по сути дела  довольно  рыхлым  пучком  проводников.
Раз так, то непрерывно нарастающее по мере увеличения силы тока сквозь плазму кольцевое магнитное поле, образующееся вокруг трубки, начнет сжимать рыхлую плазму в тоненький плазменный шнур, уменьшая ее объем, а тем самым еще больше увеличивая ее температуру и давление, так как число взаимных столкновений атомных частиц в малом объеме плазмы резко возрастает. И, что самое главное, магнитный кулак, сжимающий плазму, отрывает ее от стенок трубки, прекращая утечку через них тепла в окружающее пространство. А это в свою очередь еще больше поднимает температуру плазмы. А если прекратилась мощная бомбардировка стенок трубки бушующими частицами, то прекращается и давление на них. Значит, отпадает неразрешимая задача создания трубок с фантастической прочностью стенок.
Короче говоря, плазма сама себя организует: сжимается, разогревается и целиком изолируется от стенок трубки. Остается, следовательно, одна забота: как можно больше «вогнать» в плазму энергии, увеличив для этого напряжение и силу электрического тока и создаваемое им вокруг плазмы мощное магнитное поле. И ждать, когда начавшаяся термоядерная реакция разнесет всю такую установку и все на несколько километров в окружности?
Ничего этого, конечно, не произойдет и произойти не может. Во-первых, плазма создается в сравнительно ничтожном объеме к тому же еще и сильно разреженного газа. И даже если бы во всем ее объеме сразу возникла взрывная термоядерная реакция, сила взрыва была бы ограниченной, во всяком случае безопасной.
Далее. От температур, которые можно получить, разогревая плазму таким способом, до требуемых для реакции синтеза 200 млн. градусов дистанция пока еще слишком велика. Правда, если применять вместо одного только дейтерия смесь дейтерия и трития, необходимая для возникновения термоядерной реакции температура существенно уменьшится, и реакция возможна даже при нескольких десятках миллионов  градусов.
Ну а как установить, что такая реакция осуществилась во время разряда? По возникновению нейтронного излучения. При слиянии двух ядер атомов тяжелого водорода (дейтерия) образуется ядро изотопа гелия-3 и выбрасывается или протон, или нейтрон, одновременно возникает гамма-излучение и выделяется энергия, равная 3,2 Мэв. Если один из атомов дейтерия заменить атомом сверхтяжелого водорода (тритием), то образуется ядро гелия (альфа-частица), испускается один нейтрон и несколько гамма-квантов. В этом случае выделяется 17,6 Мэв энергии. Слияние ядра атома сверхтяжелого водорода трития с протоном дает альфа-частицу и энергию 19,8 Мэв, наконец, при синтезе ядра лития-6 с ядром тяжелого водорода образуются две альфа-частицы и выделяется   энергия   22,4 Мэв.
Улавливая вылетающие из плазмы нейтроны и определяя их количество, легко установить и все остальные необходимые данные обо всем происходящем в плазме: числе ядер, вступивших в термо-ядррную реакцию, скорости ее нарастания и т. п.
Магнитное поле, к сожалению, оказалось не идеальной невидимой стенкой, удерживающей плазму в самом центре трубки. Во-первых, может случиться так, что отдельные частицы плазмы, сталкиваясь друг с другом в бесконечных комбинациях скоростей и энергий, могут случайно приобрести столь большую энергию, что их в конце концов выбросит сквозь любое самое сильное магнитное поле к стенке сосуда.
Во-вторых, при определенных условиях большое количество заряженных частиц, двигаясь в какой-то момент вместе и в одном направлении, может создать свое собственное магнитное поле, способное выдавить плазму через изолирующее ее общее магнитное поле. Могут возникнуть и другие капризы. А почему ученые так «чувствительны» к таким капризам плазмы?
Дело в том, что управляемая термоядерная реакция в плазме не начинается так, как в водородной бомбе,— взрывом, длящимся миллионные и более короткие доли секунды. Время слияния частиц зависит от «густоты» плазмы. Имеется определенный максимум «густоты», который может удержать данное магнитное поле. Если плазма доведена до этой «густоты», то время слияния будет равно приблизительно одной тысячной или сотой доли секунды. Следовательно, нужно термоизолировать — удержать температуру плазмы хотя бы на это время или даже дольше. А это очень трудно.
В результате многолетних исследований бесчисленных «капризов» плазмы и методов их «обуздания» ученые сравнительно точно установили условия (так называемый критерий Лаусона), при которых возможно возникновение термоядерной реакции в плазме: число, равное произведению плотности плазмы (количество частиц в 1 см3) на время удержания возбужденной плазмы (в секундах), должно равняться или быть больше 1014. Естественно, что высвобождающаяся при возникновении термоядерной реакции энергия значительно превышает затраты энергии на ее возбуждение. Однако все ранее осуществлявшиеся опыты позволяли получать или довольно высокую температуру (порядка десятков миллионов градусов), или высокую плотность частиц в плазме, или же более длительное время удержания плазмы, однако были крайне далеки от указанного критерия. И лишь в последние годы советским ученым удалось создать установки, в которых произведение плотности частиц на время удержания плазмы равнялось 4-1013 сек!см?' при температуре порядка 7 миллионов градусов и времени удержания плазмы около 0,05 сек\ Это в 10 ООО раз выше, чем удавалось достичь в первоначальных опытах, давших толчок к развитию всей совокупности работ последних лет в области управляемой термоядерной реакции, но на полтора-два порядка, т. е. в 50—100 раз, меньше, чем необходимо для ее реального осуществления (см. Токамак).
Поскольку прямой путь — электрический разряд в газе — не дает требуемых результатов, а плазменное состояние можно получить и другими способами, ученые начали один за другим пробовать и все остальные. Известно, что если разогнанная до большой скорости частица попадает в магнитное поле, то она начинает закручиваться — тем сильнее, чем сильнее магнитное поле. Частица как бы навивается на подвернувшуюся по пути незримую и пока неизвестно из чего состоящую, скорее даже условную, магнитную силовую «линию».
Выстрелим пучком электронов или положительно заряженных ионов дейтерия, допустим сбоку, в большую, тщательно откачанную от воздуха трубу, вокруг которой размещены огромные катушки, создающие внутри нее сильное магнитное поле. Частицы тотчас же начнут «навиваться» на линии этого поля, сталкиваться друг с другом и нагреваться. Если увеличивать напряженность магнитного поля, то, сжимаясь, оно начнет сжимать и гирлянды навившихся на линии этого поля заряженных частиц. Число их столкновений друг с другом увеличится, поднимется и температура плазмы. Если на концах такой трубы — магнитной ловушки — создать еще более сильное магнитное поле, то заряженные и завивающиеся по спирали частицы отскочат от него и начнут свое движение обратно, с тем чтобы, повстречавшись с такой же магнитной стенкой или «зеркалом» на другом конце стены, еще раз начать обратное движение. Так и будут двигаться взад и вперед вдоль линий магнитного поля частицы, набирая под действием сжимающего их магнитного поля энергию, а с нею и повышая температуру всей плазмы.
Частицы плазмы можно заставить двигаться и вдоль бесконечной (кольцевой) трубки, сжимая ее не поперечным, а продольным магнитным полем или комбинацией этих полей. Для устранения некоторых недостатков такую «баранку» можно скрутить еще один раз и получить «восьмерку». Это и будет «стелларатор».
Имеется большое число и других видов установок, отличающихся друг от друга теми или иными усложнениями, главная цель которых — устранить какую-либо одну или сразу несколько видов неустойчивости плазмы.
Заслуживают внимания опыты по возбуждению ядерной реакции в плазме с помощью луча лазерного света огромной интенсивности. Когда кванты такого света сталкиваются с атомами разреженного газа, переменное электрическое поле электромагнитных волн «раскачивает» электроны в такт с импульсами этого поля, заставляя их сталкиваться с другими электронами и с ядрами (ионами) атомов газа, тем самым превращая энергию этих волн в тепло, разогревающее плазму.
Это становится возможным благодаря тому, что лазерный луч можно сконцентрировать в чрезвычайно малом объеме, порядка 100 мкм3, а его мощность в импульсе довести до нескольких миллиардов киловатт! Однако вследствие того что количество частиц в сильно разреженной плазме крайне невелико, получить необходимый для начала термоядерной реакции критерий: произведение концентрации частиц на время удержания, равное 1014, практически невозможно, поэтому вместо разреженного газа используют сжиженную и замороженную до сверхнизкой температуры смесь дейтерия и трития в вакууме с концентрацией 5-1022 частиц в 1 м3. Лазерный луч разогревает примерно 1 мм3 этой смеси до температуры в 100 млн. градусов. Энергия лазерного импульса, длящегося в течение нескольких наносекунд (1 нсек = Ю-9 сек), должна быть при этом не менее 100 дж. Так как коэффициент полезного действия лазеров невелик и составляет лишь доли одного процента, будущее этого направления в создании термоядерного реактора зависит от прогресса в области создания сверхмощных лазеров с более высоким коэффициентом полезного действия, ибо полезная отдача такого реактора должна во много раз превышать энергию, затрачиваемую на генерирование лазерного луча требуемой мощности.