Одна из научно-энергетичеких тем, которые время от времени оказываются на виду многих СМИ – термоядерный синтез и новый решительный штурм, который предпринимает научное сообщество множества стран на строящейся международной установке ITER.
Конечно, можно сразу начать рассказ о том, что да как происходит во Франции, кто именно что именно из оборудования создает, как идут дела на строительной площадке, сколько раз повышалась смета и переносились сроки, как менялось руководство. Вот только смысла в такой спешке особого нет, ведь до начала работы ITER еще больше десяти лет. Куда разумнее, нам кажется, пройтись по истории о том, как ученые пришли к самой идее термоядерного синтеза, как они научились ею пользоваться, и только потом подойти к подробностям того, что происходит с освоением этой невероятно сложной технологии в наше с вами время.
Лингвистический анализ физического термина
Что такое этот самый «термоядерный синтез»? Давайте припомним русский язык и проанализируем эти два слова. Синтез – это соединение каких-то маленьких деталей во что-то единое и большое. В сложном слове «термоядерный» – два корня, второй из них говорит о том, что синтезировать, соединять мы собираемся из маленьких атомных ядер какие-то большие ядра. «Термо» – значит, синтез этот как-то связан с температурой, но тут, на первый взгляд, толкование может быть уже двояким: то ли в результате синтеза выделится температура, то ли температура нужна для осуществления синтеза. Судя по многочисленным беседам с «лириками» по образованию, вот эта двойственность толкования – причина того, что дальше в эту тему они уже и не идут.
«От одной терминологии туман в голове, отстаньте!»
И «физики» уверенно задирают нос – вот мы какие умные, мудрые, весь прочий мир нас даже понять не способен. Здорово, конечно, только заканчивается такое зазнайство тем, что денег на эксперименты у правительства не выпросить. Так что вариантов нет, надо побороть термоядерную безграмотность!
Что такое энергия ядерная, покорившаяся воле человека, дающая нам электроэнергию на АЭС, мы приблизительно помним. В результате реакции ядерного деления атом урана-235 распадается на осколки, при этом вес всех осколков, вместе взятых, меньше, чем вес изначального ядра. Эта разница масс превращается в чистую энергию, которую ученые взяли под свой контроль всем нам на пользу. Масса переходит в энергию – так реализуется знаменитая формула Эйнштейна.
Е = mc2
В данном случае буковка m обозначает разницу между массами осколков и массой материнского ядра. Помним мы и о том, что для старта реакции деления на ядро урана должен «налететь» нейтрон – массивная частица, не имеющая электрического заряда. Электрическая нейтральность нейтрона позволяет ему «не замечать» облака отрицательно заряженных электронов, и мчаться к заданной цели – к ядру атома урана. Удар – и процесс пошел, новые свободные нейтроны, образующиеся в результате деления, делят новые и новые ядра, высвобождая все новые порции энергии. Энергии этой в сотни, в тысячи раз больше, чем при горении любого вида топлива, ядерные реакции многократно мощнее реакций химических.
Откуда берется такое количество энергии? Припомним, из каких частиц состоит ядро любого химического элемента. Ядро – это нейтроны и протоны, держащиеся вместе «не обращают внимания» на то, что у всех протонов одинаковый (положительный) электрический заряд. Силы отталкивания, возникающие между частицами с одинаковыми по знаку («плюс» или «минус») электрическими зарядами в ядерной физике называют для краткости кулоновскими – в честь Шарля Огюстена де Кулона, французского исследователя XVIII века, впервые сформулировавшего закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов.
Взаимодействие между частицами ядра, преодолевающее мощь кулоновского взаимодействия, физиками так и названо – сильное. Оно многократно мощнее, чем кулоновское, да вот только одна беда – уж очень оно короткодействующее, «включается» только тогда, когда расстояние между нуклонами (так называются частицы, участвующие в сильном взаимодействии, к ним относятся и протоны, и нейтроны) становится порядка 10 в «минус двенадцатой» миллиметра. Как только расстояние становится больше, в дело вступает кулоновское отталкивание – именно благодаря ему осколки деления урана разлетаются в разные стороны. Энергия сильного взаимодействия, удерживающая протоны и нейтроны ядра атома урана, становится «ненужной», но она не может исчезнуть бесследно, она буквально «выплескивается наружу», ускоряя разлет осколков намного значительнее, чем кулоновское отталкивание, эту энергию физики и научились превращать в нагрев теплоносителя, извлекая из ядерной энергии совершенно конкретную, практическую пользу.
То же самое, только наоборот, происходит в случае синтеза, то есть образования тяжелого ядра из нескольких легких – как только расстояние между нуклонами становится меньше тех самых 10-12 мм, протоны «забывают» о своем электрическом знаке и соединяются друг с другом в ядро нового элемента. Вот эту величину, 10-12 мм, физики называют «кулоновским барьером» – при расстояниях больших него «главным» становится электрическое отталкивание, при расстояниях меньших его кулоновское отталкивание «отключается», и в дело вступает сильное взаимодействие. Все, что для этого нужно – добиться такой скорости движения нуклонов, которая позволит преодолеть кулоновский барьер. Для набора скорости нуклон должен иметь изрядную порцию энергии, а в ядерной физике энергия и тепло – одно и то же. Значит:
«термоядерный синтез» – это процесс образования сложных атомных ядер из легких, получивших такое количество тепла (энергии), которое позволяет им преодолеть кулоновский барьер.
Вот и вся сложность названия – нет в нем никакой двусмысленности. Хочешь добиться начала процесса ядерного синтеза – изволь обеспечить нуклонам, которые должны участвовать в этом процессе, минимально необходимую порцию тепла/энергии. Ну и, разумеется, обеспечь изоляцию конструкции, в которой все это будет происходить, от внешнего пространства – изолируй, не дай ядрам легких элементов разлететься в разные стороны.
Ядро Солнца – грандиозная физическая лаборатория
Кроме температуры, системе, где мы хотим организовать термоядерный синтез, требуется еще и высокое давление, делающее невозможным разлет ядер легких элементов. Температура и давление – вот то, что способно «зажечь» реакцию термоядерного синтеза. Как видите, во всех рассуждениях ничего невероятно сложного нет, нам вполне хватило самой обычной логики.
Та же простая житейская логика позволяет ответить и на следующий вопрос – ядра каких атомов легче всего заставить участвовать в процессе термоядерного синтеза? Чем меньше электрический заряд – тем меньше проблем с преодолением кулоновского барьера. Химический элемент, в ядре которого ровно один протон – это водород, элемент №1 в периодической таблице Менделеева, то есть именно у ядра водорода и есть минимальный электрический заряд.
Однако все наши размышления, согласитесь, были сугубо теоретическими, а физика – наука, привыкшая все теории проверять при помощи экспериментов. Возможно ли организовать процесс термоядерного синтеза, осуществляется ли он уже где-то в природе? На планете Земля обнаружить его пока не удавалось, поэтому физики решили задать вопрос астрономам: ребята, вы в своих наблюдениях за Вселенной ничего подобного не видели?
Ответ был готов, поскольку в 1938 году астрономы (если уж совсем точно – астрофизики) смогли, наконец, ответить на «детский» вопрос – за счет чего светит и греет солнышко. Если смотреть на Солнце глазами физика, то выглядит оно следующим образом. Это шар диаметром 1,4 миллиона километров (в 109 раз больше диаметра Земли), весящий 2*1027 тонны (333’000 масс нашей планеты), который на 73,4% состоит из водорода и на 24,9% – из гелия.
Строение Солнца, Рис.: sila.narod.ru
Гелий «нарабатывается» в ядре Солнца именно из водорода, поскольку условия для этого вполне подходящие. Вполне приличная температура – 15,6 миллиона градусов, неплохое давление – порядка 250 миллиардов атмосфер. Давление и температура в ядре Солнца обеспечены силой гравитации, величину которой можно понять, сравнив значения второй космической скорости (скорость, которую должно иметь любое тело для того, чтобы покинуть центр притяжения) для Земли и для нашей звезды. Если для того, чтобы «сбежать» с Земли, достаточно разогнаться до 11 километров в секунду, то для того, чтобы расстаться с Солнцем, требуются 618 километров в секунду или 55 «земных» вторых космических скоростей. В общем, температуры и давления в ядре нашего с вами желтого карлика вполне достаточно, чтобы ядра водорода сливались в ядра гелия.
Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества
Необходимо отметить, что при таких температурах и давлении водород существует только в форме высокотемпературной плазмы – в четвертом агрегатном состоянии вещества. Три нам хорошо известны — твердое, жидкое и газообразное. Плазма в случае ядра Солнца — это полностью ионизированный водород, у атомов которого начисто «ободраны» все их электроны. Весьма грубо получается ядра атомов — отдельно, электроны — отдельно. Если рассматривать плазму «со стороны», то она электрически нейтральна, ведь количество свободных электронов строго равно количеству свободных протонов.
Физические состояния вещества, Рис.: spacegid.com
Но эта нейтральность не настоящая, это квазинетйральность — ведь на микроуровне мы имеем дело сразу с двумя газами, газом электронов и газом протонов. Поскольку электроны и протоны перемещаются в плазме крайне хаотично, время от времени в одном участке плазменного объема возникает избыток отрицательного заряда, а в противоположном ему, само собой, создается избыток заряда положительного. Такие локальные избытки электрических зарядов внутри плазмы могут возникать и в более сложных конфигурациях, но для понимания сути достаточно присмотреться к паре избыточных областей.
Квазинейтральность служит причиной такого интересного явления, как колебания плазмы, которые, вообще-то, принято описывать с использованием весьма сложных математических формул. Но погружаться в пучины дифференциального и интегрального исчисления вовсе нет нужды, вполне достаточно его величества Здравого Смысла.
Допустим, из-за хаотичности перемещения электронов и протонов в каком-то месте объема плазмы образовались избыточные концентрации отрицательного и положительного зарядов. Между этими областями тут же возникает взаимное электрическое притяжение, и «толпы» электронов и протонов понесутся навстречу друг другу. Понеслись и встретились, но мгновенно-то они остановиться не могут! Они по инерции пробегут немного дальше, в результате чего снова образуются положительно и отрицательно заряженные области, которые теперь понесутся уже в обратном направлении, чтобы снова по инерции проскочить дальше места встречи… Такие колебания в плазме достаточно устойчивы, поэтому частота колебаний плазмы является ее весьма существенной характеристикой. Например, плазменная частота, то есть среднее время между столкновениями частиц должна быть намного больше частоты колебаний плазмы. Только при соблюдении этого критерия плазма остается плазмой, только в этом случае электродинамические свойства плазмы преобладают над кинетическими.
Плазма на Солнце, Фото: publicbroadcasting.ne
И есть еще один момент, еще один термин, про который нам придется не единожды вспоминать – так называемый «дебаевский радиус». Это расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в составе плазмы. В плазме в сфере радиусом Дебая находится такое число других заряженных частиц, что их хватает для возникновения коллективных эффектов. Вот то, что мы только что описывали: в одном «углу» объема плазмы накапливается отрицательный заряд, а в другом собираются частицы с зарядом положительным – типичное проявление именно коллективного эффекта. Теперь просто вчитаемся в написанное: в пределах радиуса Дебая должно находиться множество частиц, или, другими словами, в пределах действия одного электрона или одного протона должно находиться много электронов или протонов. Но заряд электрона – это ведь всего-навсего 1,6 х 10-19 кулона: нуль, запятая, еще 18 нулей и только потом цифры 1 и 6, то есть совсем уж микроскопическая величина.
Понятно без всяких формул, что у такого крошечного заряда и дебаевский радиус очень мал! И вот в этом маленьком «шарике» должно находиться множество частиц, то есть плазма должна быть достаточно плотной, что, собственно говоря, в ядре Солнца и имеет место быть, в силу огромности гравитационного поля нашей звезды. Простая логика привела нас к очень серьезному выводу:
для создания устойчивой плазмы нужны не только высокие температура и давление, но еще и плотность, «давить» надо большое количество ионизированных ионов.
И последнее из существенных свойств плазмы – дебаевский радиус должен быть намного меньше линейных размеров объема, занимаемого плазмой. Тогда взаимодействия, происходящие внутри плазмы намного более значительны, чем те, что имеются на ее поверхности. Плазма – «вещь в себе» и все, что происходит вне ее, для нее особого значения не имеет. Три критерия – плотность, приоритет внутренних взаимодействий, плазменная частота, намного превосходящая частоту плазменных колебаний – придется помнить постоянно, когда речь дойдет до рассказа о попытках реализации управления термоядерной реакцией в земных условиях.
В отличие от настоящего газа, плазма обладает очень высокой электропроводимостью — как и в металлах, в плазме полным-полно свободных электронов, которые могут перемещаться по всему объему, занимаемому плазмой. Соответственно, плазма, в отличие от газов, взаимодействует с электрическими и магнитными полями — к этому ее качеству мы еще не единожды вернемся. Подверженность плазмы воздействию магнитных полей приводит к появлению таких явлений, как образование нитевидных структур, слоев, струй и множеству других, еще более сложных объектов. Обратите внимание — все эти сложности в плазме возникают сами по себе, ее поведение очень хаотично, и только огромный объем солнечного ядра делает весь этот хаос не имеющим большого значения. Радиус ядра Солнца — примерно 150-175 тысяч километров, объем — от 14 до 22 тысяч миллиардов кубических километров. Никакие колебания плазмы, никакие сложности из-за магнитных полей не мешают главному процессу, который, собственно, делает звезду звездой — термоядерному синтезу, слиянию ядер водорода в ядро гелия.
Как шар газа становится звездой
Происходит это слияние в несколько этапов, без особой спешки – вероятность цепочки превращений не велика, но при наличии полутора миллиарда миллиардов миллиардов тонн водорода торопиться особо некуда… Вначале должны суметь столкнуться два протона с энергиями, которых хватает для преодоления кулоновского барьера, образуя дейтрон. «Лишнюю» энергию на этом этапе уносят позитрон и электронное нейтрино. Следующий этап – слияние образовавшегося на первом этапе дейтрона и еще одного протона с образованием изотопа гелий-3, затем, уже на третьем этапе, сливаются два атома гелия-3, образуя «конечный продукт» – привычный нам гелий-4, с которым мы встречаемся на Земле не так уж и редко. На последней стадии свободными остаются два протона, которые разлетаются в разные стороны. Эта последовательность термоядерных реакций названа физиками «протон-протонным циклом», что вполне логично – начало цикла обеспечивают именно протоны.
Протон-протонный цикл, Рис.: wikipedia.org
Несмотря на малую вероятность такой цепочки превращений, каждую секунду в ядре нашей звезды в излучение превращается 4,26 млн тонн солнечного вещества. Этого вполне достаточно, чтобы днем нам было светло и тепло, а за ночь земная поверхность не превращалась в ледяную пустыню. Много это или мало — четыре с лишним миллиона тонн солнечного вещества в секунду прочь? Вполне достаточно на 5-6 миллиардов лет, так что в запасе у человечества остается миллиард пятилеток для того, чтобы либо создать себе новую звезду и сколько-то планет при ней, либо найти подходящую звездно-планетарную систему и способ переместиться на новое место жительства. Построить с миллиард звездолетов, с борта которых нашим потомки и прокричат хором «Поехали!». Но это все будет сильно позже, нам с вами по этому поводу можно только футуристические книги сочинять
Впрочем, это мы с вами уже начинаем уходить в другую сторону, давайте-ка вернемся. Физики получили исчерпывающий ответ на свой вопрос — термоядерная реакция в природе не только возможна, она идет в недрах звезд. В принципе, можно было смело приступать к организации эксперимента — собрать пару миллиардов миллиардов тонн водорода, как следует сжать это облако, а дальше все бы пошло по уже известной схеме. Ну, надо было бы только немного подождать – удачный удар двух протонов случается не часто, для одного дуэта приблизительно раз в сто миллионов лет.
В общем, перспектива повторять в эксперименте условия, царящие в недрах солнечного ядра, прилива энтузиазма у физиков не вызвала, но и руки они не опустили.
В дело вступают химики
Надежды физиков, которые не умерли после зубодробительного ответа астрофизиков, были связаны с открытым в 1932 дейтерием – тяжелым изотопом водорода, в котором одинокий протон в его ядре умудряется присоседить к себе нейтрон. Дейтерий был открыт в самом конце 1931 года американским химиком Гарольдом Юри, который и отхватил за это в 1934 году Нобелевскую премию по своей дисциплине. Прошло всего три года, и в 1934 англичане Эрнест Резерфорд, Маркус Олифант и Пауль Хартек открыли еще более тяжелый изотоп водорода – тритий, в котором ядро состоит уже из протона и двух нейтронов. Дейтерий и тритий в микроскопических количествах содержатся в любой воде на нашей планете, вот только собрать-сконцентрировать хотя бы мало-мальски приличное количество очень сложно и очень затратно. К примеру, себестоимость создания 1 кг трития – 30 миллионов долларов.
Но речь сейчас не о сложностях производства, а о том, какую пользу можно получить от тяжелых изотопов водорода для реализации термоядерного синтеза. Если отбросить всяческие квантовые сложности, то все тот же Здравый Смысл подсказывает – вероятность удачного столкновения таких изотопов для начала синтеза намного больше, чем вероятность реализации протон-протонного цикла. Нейтрон имеет практически такой же размер, как и протон, потому ядра дейтерия и трития просто больше – потому и удача будет сопутствовать намного чаще. Физики-теоретики рассчитали дейтерий-дейтериевую термоядерную реакцию – она действительно намного более вероятна, чем реакция, в которой участвуют только ядра водорода, да и температура для слияния ядер дейтерия и трития в ядро гелия-4 требуется небольшая – всего-то 100-150 миллионов градусов. «Всего-то» звучит, как насмешка над здравым смыслом, но именно она позволяет обходиться для цепной реакции синтеза считанными граммами дейтерия и трития, забыв о миллиардах тонн.
Вот классический рисунок, поясняющий, как выглядит термоядерная реакция синтеза дейтерия и трития, без которой, судя по всему, не обходится ни одна статья на эту тему:
Основную порцию энергии, высвободившейся в результате сильного взаимодействия, уносит с собой нейтрон. Энергия и скорость, теплота и скорость для ядерной физики – одно и то же. Мы не раз заводили речь о реакторах на быстрых нейтронах, в активной зоне которых носятся нейтроны с энергией порядка 100 тысяч электрон-вольт, а в случае реакции термоядерного синтеза нейтрон мчится в 14 раз быстрее. Кстати, одна из наиболее распространенных ошибок при описании гипотетических термоядерных электростанций – рассказ о том, что термоядерные реакторы не способны принести никакого вреда, что в результате их функционирования нет никаких вредных отходов. Нейтроны с такой энергией опасны, причем опасны смертельно – если, конечно, не суметь их остановить, аккуратно «сняв» с них энергию для использования себе во благо.
Теория получает шанс стать практикой
Итак, что имелось к концу 30-х годов минувшего столетия в едва наметившемся новом направлении физики – физики термоядерных реакций? Наиболее вероятная, наименее энергозатратная термоядерная реакция – реакция слияния ядер дейтерия и трития в ядро гелия-4. Температура реакции задается физикой процесса, для протекания реакции требуется около 100 миллионов градусов. Дейтерий и тритий уже умели получать, вот только энергии на их производство уходило огромное количество – следовательно, любые эксперименты требовали огромных денег. Наверное, никакого продолжения все это теоретизирование не получало бы еще очень долгое время, физики продолжали бы «баловаться» на всевозможных ускорителях, приобретая информацию крошечными порциями. Но все изменилось ранней осенью 1939 года, с началом Второй Мировой войны. О том, как в разных странах ученые-физики одновременно двинулись вперед по пути создания атомной бомбы, мы уже рассказывали, но Манхэттенский проект – это не только бомба атомная, но и бомба термоядерная.
В истории появления термоядерной бомбы в США удивительным образом переплелись судьбы очень разных людей и случайных обстоятельств. В указанной статье мы упоминали о Эдварде Теллере, венгерском физике еврейского происхождения, вынужденно эмигрировавшем в США. Он был одним из инициаторов обращения за помощью к Альберту Эйнштейну, которая была необходима для привлечения внимания президента Рузвельта к развитию германского атомного проекта. Задумка Лео Силарда и Эдварда Теллера сработала на все 100%, через совсем небольшое время начал свою жизнь проект «Манхэттен». Его участники были осведомлены о роли Теллера, да вот только ему самому места в проекте просто не могли найти. Да, талантлив, да, хорошо осведомлен, но мест – нет. Сам Эдвард, как он потом признавался, подозревал, что проблема в уровне секретности и в том, что его семья находится в глубоком тылу врага, поэтому даже его американское гражданство не могло сломить подозрительность ФБР. В его судьбу вмешался Оппенгеймер, и Теллер получил возможность присоединиться к коллегам, но к тому времени вся работа была поделена на отдельные сектора, специалисты уже наметили планы своей работы, и Теллер, грубо говоря, напоминал м-м-м… цветок в проруби. Все его знали и уважали, но куда его пристроить, никто придумать какое-то время не мог. И вот тогда Теллер проявил собственную инициативу – стал заниматься последовательным развитием идеи Ферми, которую тот высказал вслух в частной беседе. Идея была, с первого взгляда, простой и незатейливой – проверить, будет ли достаточно температуры, образующейся при взрыве атомной бомбы, достаточно для того, чтобы инициировать реакцию синтеза дейтерия, нужное количество которого можно разместить как можно ближе к центру детонации. Как-никак – 400 миллионов градусов, надо только ухитриться «перекинуть» всю эту энергию дейтерию.
Надо отдать должное Теллеру – работу он начал с того, что попытался доказать невозможность создания этого. Да, это был бунт против Ферми – для достаточно молодого ученого Эдварда Теллера весьма смелый шаг. Найдя в составе группы физиков «Манхэттена» еще одного не очень сильно занятого джентльмена – Эмиля Конопински, Теллер приступил к опровержению идеи Ферми, но результат оказался прямо противоположным. На каждое препятствие обнаруживался «обходной маневр», и вскоре Теллер и Конопински пришли к выводу прямо противоположному тому, который изначально задумывали. Добросовестно выполненные расчеты показали, что такой способ детонации дейтерия физически осуществим, то есть физики способны реализовать на практике реакцию термоядерного синтеза. По расчетам Теллера, если удастся запустить термоядерную реакцию, взрыв всего 12 кг жидкого дейтерия будет эквивалентен взрыву 1 000 000 тонн тротила, миллиона тонн!
Это сейчас нашим ушам привычны слова 20-30 мегатонн, мы даже не задумываемся особо, что это такое, не пытаемся представить себе воочию разрушительную мощь такого взрыва. При этом мы, стараниями СМИ, частенько слышим о лихих террористах, взрывающих по всему миру всевозможные самодельные «бомбы». Пара килограмм тротила – и разваливается подъезд жилого дома, центнер тротила – и взлетают на воздух хорошо оборудованные блокпосты. Попробуйте мысленно умножить взрыв центнера тротила на 10 миллионов, и вы согласитесь с тем, что термоядерную бомбу можно по праву называть оружием апокалипсиса. Миллион тонн, в одном месте, за считанные доли секунды…
Десяток-полтора килограммов дейтерия в 1942 году, когда Теллер начал свои вычисления, не являлся чем-то критически сложным, поэтому коллеги-физики, которых Теллер ознакомил со своими расчетами, были откровенно шокированы полученными результатами. Получалось, что технически возможно создание оружия, которое позволит Америке выйти не только победителем в мировой войне: создание этого оружия позволяло править миром в буквальном смысле этого слова, но цена такой мощи – жизни миллионов и миллионов людей. Теллер немножко заразился этим страхом, но несколько по своему – он перепроверил, не вызовет ли детонация дейтерия цепную реакцию термоядерного синтеза углерода, входящего в состав атмосферного воздуха. Ну, не получится ли случайно так, что, единожды взорвав термоядерный заряд, физики заодно сожгут и весь воздух планеты Земля. Мало ли… Расчеты показали – причин волноваться нет, для термоядерной реакции углерода температуры термоядерного взрыва дейтерия будет явно не достаточно. И больше Теллера уже ничего не волновало – теперь его интересовало только создание термоядерной бомбы, а реализацию идеи бомбы атомной, на уране или плутонии, он теперь называл «инженерной проблемой». Никакие моральные проблемы господина Теллера больше не интересовали, с маниакальным упорством он желал работать только над созданием бомбы невиданной мощи, которую его коллеги тут же и окрестили проектом «Супер». Да, еще один парадокс или, если хотите, некий исторический анекдот. К тому времени Оппенгеймер придумал, наконец, какую часть работы по созданию атомной бомбы можно поручить Теллеру и отрядил в его группу свежеприбывшего из Англии специалиста по имени Клаус Фукс. Но Теллер был настолько увлечен своим «Супер», что зачастую манкировал своими обязанностями, перепоручая их выполнение Фуксу. Волей-неволей, Фукс оказывался в курсе все большего объема информации о ходе работ по созданию американцами атомной бомбы, что не могло не радовать нашу советскую разведку…
Как остановить франкенштейна?..
Оппенгеймер, детально ознакомившись с расчетами Теллера и оценив его практически маниакальную увлеченность созданием сверхоружия, как он позднее не раз признавался, ужаснулся происходящему. Одно дело, когда государство требует создания именно военного оружия: атомная бомба, хоть ее мощность, по предварительным расчетам, и может достигать десятков килотонн тротилового эквивалента, еще может считаться, пусть и условно, «оружием поля боя». Но мегатонны тротила в один момент и в одном месте на поле боя не применишь никак – это принципиально оружие откровенного геноцида, использовать термоядерную бомбу можно только для тотального уничтожения городов противника с неизбежными миллионными жертвами. Разработкой такого чудовищного оружия Оппенгеймер не желал заниматься, но он прекрасно понимал, что остановить увлеченного своими идеями Теллера простым окриком невозможно – проект «Манхэттен» находился под контролем военных, которые вполне могли разделить «творческую радость» одного из своих подопечных. Добившись участия Теллера в проекте, Оппенгеймер тем самым создал некое подобие «франкенштейна», не желавшего подчиняться воле своего «создателя». Единственное, на что можно было рассчитывать, так это найти в расчетах Теллера что-то неучтенное, но при этом настолько серьезное, что доказало бы принципиальную невозможность создания термоядерной бомбы. И Оппенгеймер «пошел с козырного туза» – поручил перепроверить расчеты Теллера и Конопински самому Хансу Бете, еще одному немецкому иммигранту, покинувшему Германию в 1933 году – и тоже из-за проблем с семейным происхождением.
Вам ничего не говорит имя Ханса Альбрехта Бете? Ничего удивительного – это ведь все дела давно минувших дней. Чтобы не тратить много слов, напомним, что в 1967 году Ханс Бете стал Нобелевским лауреатом по физике – так ученый мир оценил сделанное им открытие протон-протонного цикла в ядре Солнца. Да-да, вот все то, что мы рассказывали о ядерном горении водорода, открыто и доказано именно Хансом Бете, и сделал он это в 1938 году, совсем незадолго до событий, связных с именем Эдварда Теллера. Вот так сложились события в 1942 году – у Оппенгеймера была возможность привлечь к работе Бете, что он и сделал. И – не ошибся: перепроверяя расчеты Теллера, Бете нашел в них принципиальную ошибку. Теллер не учел так называемый эффект Комптона – процесс очень быстрого охлаждения фотонов за счет рассеивания излучения. Фраза звучит сложновато, но, если без подробностей, то Бете доказал, что тепло от взрыва атомной бомбы рассеется намного быстрее, чем дейтерий нагреется до расчетной температуры в 400 миллионов градусов, а микросекундой позже атомный взрыв просто разнесет в клочья этот самый дейтерий, в котором никакой термоядерный синтез начаться просто не успеет. Друг Теллера, бывший советский физик Георгий Гамов, помогавший Эдварду обустроиться в Америке, описывал все это еще проще. «Клочок ваты, горящий в метре от деревянного шарика, поджечь его не в силах». Всё – Бете прошелся по всем идеям Теллера и Конопински паровым катком, Оппенгеймер мог успокоиться. Конопински, правда, стал цепляться за огрызки идеи, предлагая использовать не дейтерий, а тритий, но этот номер не прошел. Производство даже миллиграммов трития стоило в то время не только невероятных денег – для успешной наработки требовался еще и отдельный атомный реактор, который в то время существовал в единственном экземпляре, в виде теперь знаменитой «Чикагской поленницы». Сопротивление было бесполезно, руководство Манхэттенского проекта приняло решение сосредоточиться на создании атомной бомбы к лету 1945 года, отложив все идеи о проекте «Супер» на дальнюю полку.
И все это – только начало
На этом мы пока прервем рассказ о покорении человеком термоядерной энергии, оставив «на сладкое» рассказы о том, как Теллер сумел найти идею, при помощи которой он сумел обойти эффект Комптона, как американцы добились того, что в 1951 году на нашей планете на долю секунды вспыхнуло «рукотворное Солнце», как советские ученые повторили и превзошли их достижение. Рассказы об этом обязательно будут, но нам бы хотелось обозначить конечные цели нового цикла статей.
После того, как советские физики смогли ответить на военный вызов США, наши специалисты первыми в мире выдвинули идею реализации управляемого термоядерного синтеза. Термоядерная реакция не должна быть только орудием массового убийства – она может и должна обеспечить нашей цивилизации решение всех проблем с получением энергии на тысячи лет вперед. В нашей стране родилась идея токамака – слова, которое наряду со словом «спутник» стало международным.
Идеи токамака развивались настойчиво, последовательно, наши ядерщики не делали из них секрета. И сейчас, в наше время, идет огромная работа над реализацией проекта ITER, международного токамака – грандиозного эксперимента, над которым трудятся ученые десятков стран.
Токамак, визуальная модель, Рис.: futurism.com
Эксперимента, который стал острием науки, сосредоточением самых передовых разработок, самых невероятных технологий. Начинать рассказ о термоядерной физике сразу с ITER, конечно, тоже можно. Не так давно был опубликован наш комментарий для журнала «Эксперт», сделанный по просьбе этого уважаемого издания, но такой подход не совсем соответствует стилю нашего журнала.
Нам кажется более важным добиться того, чтобы наши читатели как можно лучше понимали суть происходящих во Франции событий – как возникла идея ITER, как она развивалась и как развивается сейчас, какие технологические, технические, научные проблемы и задачи приходится решать огромному коллективу ученых.
В дальнейших наших планах – поездка на ITER, но подготовка к участию в пресс-туре должна быть аккуратной и максимально полной. Рассказывая о термоядерной физике, мы надеемся вместе с вами, уважаемые читатели, подумать, что именно наиболее интересно в проекте ITER и даже попробовать заранее запланировать возможные интервью со специалистами, которые там трудятся. Так что эта статья – первая, но далеко не последняя.
