Так вот, на очень малых расстояниях, менее одного фемтометра (10–15 метра), сильное взаимодействие начинает преобладать над силой электростатического отталкивания между атомами. Для понимания: это расстояние примерно в 100 000 раз меньше размеров атома, оно ближе к размерам атомного ядра. Минимальная энергия, которую нужно затратить частице, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание, называется высотой кулоновского барьера или просто кулоновским барьером.
Для преодоления кулоновского барьера ядрам нужно сообщить значительную кинетическую энергию, например посредством разгона на ускорителях или нагрева. В последнем случае температура, требуемая для реакции, очень высока и достигает нескольких миллионов градусов.
Теперь об элементах. Вообще в реакции термоядерного синтеза с выделением энергии вступают любые лёгкие элементы вплоть до железа, нужно только создать достаточную температуру. В качестве примера можно привести звёзды, в ядрах которых происходит термоядерное горение водорода, гелия, углерода, кислорода, азота и т. д. Однако создавать соответствующие температуры и давления на протяжении достаточного времени под силу звёздам, но не человеку. Поэтому приходится выбирать из более или менее осуществимых вариантов, требующих не таких высоких температур. Есть несколько типов возможного топлива для управляемой термоядерной реакции. Самый распространённый вариант – это реакция дейтерия 2Н и трития 3Н (именно её провёл Олифант, и именно она используется в водородной бомбе). Когда ядра дейтерия и трития преодолевают кулоновский барьер и происходит их слияние, образуется новый элемент – гелий – и высокоэнергетический нейтрон, а сама реакция выглядит вот так:
21H + 31H → 42He + n + 17,589 МэВ
17,589 МэВ – выделяющаяся при реакции энергия. Есть и другие варианты термоядерного топлива, например дейтерий 2Н и 3Нe (гелий-3) или два ядра дейтерия (это называется монотопливом).
Как уже говорилось, температура и, соответственно, энергия преодоления кулоновского барьера очень высока, и она в любом случае значительно превышает температуру ионизации атомов топлива. Скажем, для дейтерия и трития энергия преодоления потенциального барьера составляет 100 000 эВ, а энергия ионизации их атомов – всего 13 эВ! Так что топливо в процессе реакции будет представлять собой облако ионизированного газа, то есть плазму.
А теперь представьте, что у нас есть облако высокотемпературной, нагретой до нескольких десятков миллионов градусов плазмы. Как вообще её контролировать? Как удерживать? Она расплавит или даже испарит любое вещество, из которого сделаны стенки сосуда, не говоря уже о том, что, если поместить её в какой-то идеальный неуничтожимый объём, она попросту начнёт остывать, теряя необходимые для реакции свойства.
Так появились токамаки.
Как сдержать плазму
О том, что эксперименты с высокотемпературной плазмой на существующем оборудовании проводить не получится, знали ещё в 1940-е годы, об этом писали многие исследователи, в том числе Энрико Ферми. Примерно тогда же родилась и концепция, позволяющая удерживать плазму. Поскольку последняя является облаком ионизированного газа, её можно контролировать, поместив в магнитное поле: электроны и ионы станут двигаться вокруг магнитных силовых линий, не выходя за пределы заданной области. В чистой теории такое магнитное поле можно было создать с помощью соленоида – цилиндрической проволочной обмотки, но на практике эта схема не работала, поскольку требовалась замкнутая тороидальная конструкция, в которой плазма могла бы циркулировать по кругу в течение неограниченного времени.
Ферми обозначил проблему такой системы. В тороидальной структуре возникала опасность «расслоения» плазмы: магнитное поле у внутренней стороны тора сильнее магнитного поля с внешней стороны, что приводит к неустойчивости и выбросу плазмы на внешнюю стенку тора. Это, естественно, стало бы катастрофой. Очевидного решения не было.
В 1947 году в Аргентину эмигрировал немецкий ядерный физик Рональд Рихтер. Руководствуясь отчасти знаниями, полученными во время работы в Германии, отчасти желанием заработать, Рихтер пообещал президенту Аргентины генералу Хуану Перону разработать и построить термоядерную электростанцию, которая позволит получать практически бесплатную энергию в неограниченных количествах. Перон, слепо веривший во все немецкие технологии, дал Рихтеру карт-бланш и пообещал любые необходимые средства. Проект получил название Proyecto Huemul
[5], и в 1951-м Рихтер торжественно объявил, что добился управляемой термоядерной реакции в лабораторных условиях. Перону он лично продемонстрировал «реакцию», которая на самом деле была горением водорода на электрической дуге. Но 24 марта 1951-го Перон публично объявил об успехе, и новость о достижении аргентинской ядерной физики облетела все газеты мира.
В Аргентине всё закончилось печально: проект закрыли, Рихтера арестовали за мошенничество, после чего он был выслан из страны, а Перон в 1955 году лишился власти в ходе военного переворота. Но первоначальное заявление об аргентинском успехе взбудоражило многих учёных, и в частности американского астрофизика Лаймана Спитцера. Хотя Спитцер специализировался на теории, причём его больше интересовали звёзды, а не лабораторные эксперименты, идея его захватила. Он много писал о космической плазме и теперь задался идеей придумать систему её удержания в земных условиях. Блестящим образом он модифицировал раскритикованный Ферми тор, превратив его в стелларатор.
Если вы посмотрите на фотографии стелларатора, вы увидите, что больше всего он похож на бессистемно смятый бублик. Как будто тор попал в руки великана, который его погрыз, потёр, погнул – и выбросил. На самом деле в измятости стелларатора есть чёткая схема: магнитные силовые линии внутри него многократно перекручены и в первом приближении напоминают ленту Мёбиуса (хотя и не являются ею). Благодаря этому частицы плазмы на разных отрезках то удаляются от оси установки, то возвращаются к ней, и тем самым поддерживается устойчивость системы.
Соответственно, само магнитное поле в стеллараторе создаётся только внешними катушками сложной формы, что позволяет использовать его непрерывно в течение любого промежутка времени, в отличие от токамака – об этом мы ещё поговорим. Важный момент: существует немало конфигураций стеллараторов, потому что перекрутить траекторию движения плазмы, чтобы сделать её устойчивой, можно множеством способов. Впоследствии собственные стеллараторы, в частности торсатрон, были запатентованы и в СССР.
На момент изобретения стелларатора Спитцер работал в Принстонском университете. В 1951 году при университете была образована лаборатория физики плазмы, которую и возглавил Спитцер. Финансирование Принстон получил от военных, поскольку в это же время активно шла работа над термоядерным оружием, а программу, по которой работал Спитцер, назвали проектом «Маттерхорн» в честь альпийской вершины – Спитцер был, помимо прочего, известным альпинистом.
