Вставшая вскоре про- блема водородной бомбы дала импульс идее управляемого термоядерного синтеза О и тем самым развитию огромной новой области плазменных исследований — физики "горячей плазмы", т.е. плазмы с температурой ~ ЮкэВ = 108 К, и при том в спокой- ных лабораторных условиях. Такие температуры необходимы, чтобы в реакторе два ядра лёгких элементов — в простейшем случае ядра изотопов водорода дейтерия (D= 2H) и трития (Т= 3Н) смогли преодолеть кулоновское отталкивание, сблизиться на расстояния ~ 10~13см, на которое простирается действие ядерных сил, и слиться, образовав ядро гелия (а- частицу) и нейтрон: D + Т -> 2Не4 + п + 17МэВ. При этом реакция сопровождается выделением большой энергии. Принципиально важно, что в любой воде из лужи или океана на каждые ~ 5000 атомов водорода приходится 1 атом дейтерия. Иными словами, в отличие от газа, нефти, угля, запасы термоядерного горючего практически неисчерпаемы (подробнее см. раздел 10.5). В это же время (конец 50-х годов) был указан путь в "энергетическое Эльдорадо": надо отказаться от энергопоглощающих стенок (плотные газы, жидкости, стеклянные трубки и т. п.) и перейти на удержание плазмы электромагнитными полями. О том, как родилась в нашей стране проблема управляемого термоядерного синтеза вспоминает научный руководитель центра разработки ядерного оружия ака- демик Ю.Б. Харитон, который хорошо знал события того времени: "Игорь Евге- ньевич (Тамм)...не отмахнулся от полученного им летом 1950 года письма.. .никому неизвестного Олега Лаврентьева, служившего на сержантской должности в далё- ком Сахалинском военном округе. Автор-самоучка предлагал использовать систему электростатической термоизоляции для получения высокотемпературной дейтериевой плазмы. Игорь Евгеньевич поручил молодому Сахарову разобраться в идее Лаврен- тьева. Позднее Андрей Дмитриевич писал, что этот "инициативный и творческий человек.. .поднял проблему колоссального значения" 2). Очень скоро Сахарову стало ясно, что на самом деле реальные возможности открываются с применением магнит- ной термоизоляции. Он и Игорь Евгеньевич приступили к интенсивным конкретным расчётам" 3). Сказанное чётко указывает роль О. А. Лаврентьева в рождении пробле- мы УТС [22] Наряду с рождением идеи УТС конец 40-х-начало 50-х годов ознаменовались ещё одним очень важным событием. В этот период вышла в свет 4) книга также неизвестного тогда широкому кругу плазменщиков шведского астрофизика X. Альф- вена "Космическая электродинамика" [21], в которой обстоятельно рассматривалась 1) В водородной бомбе происходит взрыв — "неуправляемый" синтез. 2) А. Сахаров. Воспоминания. Нью-Йорк, Из-во имени Чехова, 1990, с. 186. 3) Харитон Ю.Б и др. "И.Е. Тамм глазами физиков Арзамаса-16". Воспоминания о И.Е. Тамме. Ред. Е.Л. Фейнберг. -М.: 1995, 399 с. 4) Русское издание появилось в 1952 году, а английское в 1950 году. 28 Введение #** О. А. Лаврентиев Л. А, Арцимович М. А. Леонтович Л. Спитцер H. В. Филиппов С, И, .Брагинский 1 И. М. Гельфанд А. Б. Михайловский * 1. Розенблют М. С. Иоффе В, Д. Шафранов Л. С. Соловьёв Р. 3. Сагдеев г* А М. С. Рабинович \ И. Н. Головин Н. А. Явлинский М. И. Гусева С. В. Мирное Пионеры управляемого термоядерного синтеза 3. Об истории плазменных исследований 29 самосогласованная динамика идеально проводящей плазмы и магнитного поля. Эта книга показала огромную роль электродинамических процессов в Космосе, а предло- женная модель динамики плазмы, получившая название "магнитная гидродинамика (МГД)", сразу произвела большое впечатление своею новизной и красотой. В резуль- тате астрофизические процессы огромных масштабов, происходящие со скоростями, измеряемые сотнями и тысячами км/с, в том числе солнечная корона, протуберанцы, магнитосфера Земли и т.п., стали доступными серьёзному теоретическому анализу. Поэтому неудивительно, что такие титаны, как Ферми и Чандрасекар внесли свой вклад в разработки МГД моделей вскоре после появления книги Альфвена. МГД быстро находит себе применение и на Земле, в связи с развитием исследований по УТС и близким задачам. Магнитной гидродинамике мы посвятим основной объём главы 2 и часть главы 9. В книге Альфвена было предложено также чрезвычайно эффективное "дрейфовое" приближение (см. раздел 1.2) для описания динамики одиночных частиц в слабонеоднородных полях. Таким образом, в самом начале 50-х годов физики-плазменщики имели основу для кинетического и гидродинамического описания классических разрядов и су- щественно подогретой "ядерными" взрывами плазмы, а также идеологию динамики сильно нагретой плазмы космических объектов, и удержания её в лабораторных условиях с помощью электромагнитных полей. В результате 50-е и 60-е годы стали десятилетиями изобретений схем самых различных устройств и многочисленных попыток их реализации. Особенно интенсивно эта деятельность протекала в связи с проблемой УТС, физическая новизна и грандиозные перспективы 0 которой вдохновляли ведущих физиков и, что очень важно, администраторов высокого ранга, определяющих фи- нансовые ассигнования. В результате 5 мая 1951 года И. В. Сталин подписывает Постановление Правительства об организации работ по магнитному термоядерному реактору (МТР). Этот день считается теперь днем начала работ по УТС в СССР. Лидером в нашей стране в области исследований по УТС стал Институт Атомной Энергии (ИАЭ), директором которого был Игорь Васильевич Курчатов 2). Непосред- ственным руководителем работ по УТС в ИАЭ в начале 50-х годов был назначен Лев Андреевич Арцимович. В отделе Л. А Арцимовича вскоре сформировался и теорети- ческий сектор, возглавил который М. А. Леонтович. Первоначальная схема МТР — "магнитного термоядерного реактора" (так назвал его А. Д. Сахаров), была неработо- способна. Поэтому Л. А. Арцимович предложил начать с исследований сильноточных (Jp ~ 100 кА) электродных импульсных (тр ~ 1 мкс) разрядов в прямых диэлектриче- ских трубах, наполняемых дейтерием при давлении ~ 1 Тор. Позднее они получили название "Z-пинчей" 3), поскольку выяснилось, что при быстром нарастании тока образуется хорошо проводящий скин-слой, а охватывающие его магнитные поля сжимают эту плазменную "трубу", которая сгребает ионизующийся газ (подробнее см. раздел 1.6). В результате, когда сжимающаяся оболочка достигает оси, то здесь на короткое время (~ 0, 1 мкс) образуется плотная (п ~ 1019см~3) и горячая (Т ~ 100эВ) плаз- ма. Более того, летом 1952 года на установке Н.В. Филиппова было обнаружено, 1) Переработка в термоядерном реакторе тех 0,02% дейтерия, которые содержатся в литре любой природной воды, даёт энергию, почти в 300 раз большую, чем литр бензина. 2) И. В. Курчатов был научным руководителем всей атомной программы страны, начиная с 1945 года. Под его непосредственным руководством в нашей стране был создан первый в Европе атомный реактор, созданы первые атомные бомбы, и запущена первая атомная электростанция. 3) Английское слово pinch и означает "сжать". 30 Введение что в некий момент внутри сжатого шнура генерируются нейтроны. Казалось, что проблема УТС в принципе решена. Но вскоре выяснилось, что генерация нейтронов обязана не хаотически движущимся (нагретым) частицам, а частицам, ускоренным в электрических полях, возникающих в процессе разряда. И, более того, все попытки поднять плотность и температуру плазмы в момент максимального сжатия, и тем самым увеличить выход нейтронов, не приводили к успеху 0. Вскоре стала ясна при- чина неудачи. Оказалось, что в сжимающемся шнуре развиваются неустойчивости, ограничивающие степень сжатия (см. раздел 1.6). Так, впервые проявился страшный бич всех схем магнитного удержания горячей плазмы — неустойчивости. Надежда решить проблему с помощью Z-пинчей тех или иных вариаций окончательно гаснет к 1957 году. В это время идёт буквально судорожный поиск новых схем плазменных "ловушек". Предлагаются самые экзоти- ческие схемы, но явным фаворитом конца 50-х годов становятся так называемые "пробочные ловушки" ("пробкотроны", "открытые ловушки", "зеркальные ловушки"), предложенные у нас Г. И. Будкером A954 г), а в США Р. Постом A952-53 гг). Подробнее они описаны в разделе 1.7. Вскоре теоретики (Розенблют, Лонгмайер, Кадомцев) предсказали неизбежность и в пробочных ловушках грубых конвективных неустойчивостей, но они же ука- зали и методы борьбы с ними (раздел 1.7), что было подтверждено в блестящих экспериментах М.С. Иоффе (ИАЭ, 1961 г). К сожалению, оказалось, что оставшиеся "слабые" неустойчивости и "открытость" этих ловушек приводят к большим потерям. Надежды, связанные с пробкотронами, также начали таять. После этих неудач в конце 50-х годов начинается серьёзная работа над торо- идальными разрядами в сильном магнитном поле. Так рождаются токамаки 2). Их отличие от ранних тороидальных разрядов в Англии, США, СССР было связано именно с использованием сильного продольного магнитного поля (см. раздел 10.5). Необходимость такого сильного поля для стабилизации винтовых неустойчивостей предсказали теоретики (В. Д. Шафранов, М. Крускал). Вскоре на модельных экспериментах критерий Крускала-Шафранова подтвержда- ет Н.А. Явлинский, и он же создает при участии Л. А. Арцимовича и И.Н. Головина первые токамаки A960г). Большим несчастьем явилась гибель Н.А. Явлинского в 1962 году в авиакатастрофе, и тогда непосредственное руководство исследованиями этих систем берет на себя Л. А. Арцимович. После исключительно напряжённой и кропотливой работы на Международной конференции МАГАТЭ 3) в Новосибирске в 1968 году он называет параметры плазмы, достигнутые на токамаке Т-3: плотность электронов пе = 5 • 1013см~3, температуры ионов и электронов соответственно Т^ « ~ 500 эВ, Те ~ 200 эВ и время удержания энергии плазмы те ~ 0,01 с 4). Впечатление от доклада было ошеломляющим, и с этих пор начинается экспансия токамаков — разумеется как с качественными, так и количественными измене- ниями — фактически во все лаборатории мира. И такое лидирующее положение токамаки сохраняют до конца 90-х годов XX века.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Исследования 50-60-х годов. Проблема УТС» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
