Контролируемое деление ядра

В водородной бомбе энергия освобождается одномоментно, поэтому она может только разрушать.

Скажем, Солнце имеет мощную топку 866 ООО миль в поперечнике, но в ней происходит организованное деление, где контроль осуществляется безличными силами природы. Энергия освобождается постепенно и при незначительной скорости. С точки зрения человека эту скорость нельзя назвать медленной, но иногда звезды освобождают свою энергию в форме взрыва. В итоге появляется сверхновая звезда, излучение которой увеличивается в триллион раз.

Солнце (как и любая другая звезда, развивающаяся при нормальной скорости) остается достаточно стабильным благодаря огромной массе. Состоящая в основном из водорода, эта огромная масса сжимается гравитационными силами, и в центре образуется ядро с огромной плотностью и температурой. Благодаря этим условиям там и начинается реакция деления, причем гравитационное поле удерживает Солнце и не позволяет ему расширяться.

Насколько известно ученым, не существует вероятного пути концентрации высокого гравитационного поля в отсутствие требуемой массы. Следовательно, создание контролируемого деления на Земле оказывается невозможным, ибо без мощной гравитационной силы нельзя одновременно достичь такой же плотности и температуры, как в центре Солнца.

Однако деление может начаться и при меньшей плотности, если удастся достичь необходимой температуры. Поэтому на протяжении всего ядерного века физики пытались найти способ разогрева небольших количеств водорода до огромных температур. Поскольку в газе ядра далеко отстоят друг от друга и в долю секунды сталкиваются гораздо реже, для начала реакции температура должна оказаться много выше той, что имеется в центре Солнца.

В 1944 году Ферми подсчитал, что в земных условиях для начала реакции между тритием и дейтерием нужна температура 50 миллионов градусов и около 400 миллионов градусов, чтобы вызвать только деле ние дейтерия.

Все это заставляло так или иначе использовать тритий. Даже если его нельзя было получить в чистом виде, можно было прибегнуть к нейтронной бомбардировке лития, в ходе деления которого образовывались нейтроны. Похожим образом можно было начать с лития и дейтерия, к которым добавлялось небольшое количество трития. Хотя и в управляемой реакции в конце концов водород превращался в гелий, механизм реакции, осуществлявшейся под контролем людей, отличался от того, что происходило на Солнце.

И все же важнейшей проблемой, необходимой для получения водорода-3, остается температура, которую надо не только достичь, но и удержать в течение определенного времени. Аналогично бумага не загорится, если вы быстро пронесете ее через пламя свечи. Чтобы горение началось, надо удерживать бумагу в пламени в течение определенного времени.

Расчет необходимых условий предложил в 1957 году английский физик Джон Лоусон. Он показал, что чем плотнее газ, тем короче был период, в течение которого надо было удерживать нужную температуру. Если плотность газа примерно в 100 раз превышала плотность воздуха, то реакция начиналась через '/ 1000 долю секунды после того, как достигалась нужная температура.

Разогревать водород до необходимой температуры можно разными способами — с помощью электрического тока, магнитных полей, лазерным лучом. Как только температура поднималась до сотен тысяч градусов, атомы водорода (или любые другие атомы) разбивались на свободные электроны и чистые ядра. Вещество переходило в особое состояние, которое называется «плазмой». С тех пор как физики начали исследовать очень горячие газы, предполагая получить энергию деления, им пришлось изучать особенности такой плазмы. Так появилась самостоятельная научная дисциплина, физика плазмы.

Но при нагревании в нормальных условиях газ начинает расширяться и его плотность быстро уменьшается.

Очевидно, что его следовало поместить в контейнер, но для раскаленного газа не подходил ни один материал. И не только потому, что при высокой температуре материал мог расплавиться или даже испариться. На самом деле все не так просто. Даже при очень высокой температуре газ не может расплавить толстые стенки контейнера. Со прикасаясь с ними, плазма охлаждается, и весь эффект нагревания пропадает.

Более того, если попытаться еще сильнее повысить температуру, чтобы удержать массу в нагретом состоянии, несмотря на остужающий эффект стен контейнера, то стенки постепенно разогреются и расплавятся. Но еще раньше в плазму перейдет часть освободившихся атомов, чистота газа нарушится и деление не сможет начаться. Получалось, что материальный контейнер нельзя было использовать.

К счастью, существовал и нематериальный способ удержания плазмы. Поскольку плазма состояла из смеси электрически заряженных частиц, она взаимодействовала с магнитным полем. Значит, ее можно было удерживать магнитным полем так, чтобы она оставалась на месте. На магнитное поле никак не действовала температура, оно не могло стать источником загрязнения плазмы.

В 1934 году американский физик Уиллард Беннет разработал теорию поведения плазмы в магнитном поле. Открытое им явление стягивания разряда было названо пинч-эффектом, потому что магнитное поле сжимало газ и удерживало его на месте.

В 1951 году английский физик Алан Уэр впервые попытался использовать этот эффект для удержания плазмы, предполагая, что это позволит инициировать деление. Похожие исследования затем были проведены не только в Великобритании и США, но и в СССР, где оказались наиболее успешными.

Вначале посредством пинч-эффекта пытались удержать плазму в форме цилиндра. Однако это не сработало, ибо она оказалась слишком нестабильной. Плазму удавалось удерживать на короткий срок, затем она скручивалась и вырывалась.

После этого начались попытки получения стабильной плазмы.

В 1951 году американский физик Лаймен Спицер-младший (1914 — 1997) разработал схему контейнера, изогнутого в форме восьмерки. Когда такое устройство было построено, его назвали стелларатором (от латинского слова «stellae» — «звезда»), поскольку ученые надеялись, что в них можно создать условия, которые позволят имитировать процесс деления, происходящий на звездах.

На протяжении 50-х и 60-х годов XX века физики шаг за шагом шли к намеченной цели, создавая все более высокую температуру и сохраняя ее на протяжении все более длительного времени, соответственно увеличивая и плотность газов.

В 1969 году в СССР под руководством Л.А. Арцимовича был создан «токамак» — установка, в которой плазма удерживалась в форме тора. Оказалось, что таким способом можно удержать дейтерий в миллионы раз более плотный, чем воздух, в месте, нагретом до миллионов градусов в течение сотых долей секунды. Это позволяло вплотную подойти к осуществлению управляемой термоядерной реакции.