Синтез ядер гелия из ядер дейтерия становится интенсивным при температуре в несколько миллионов градусов, а чтобы этот синтез давал практически существенные количества энергии, требуются температуры в несколько сотен миллионов градусов. При таких температурах любое вещество становится плазмой, т. е. смесью атомов, потерявших свои электронные оболочки и оторвавшихся от атомов электронов. Когда температура достигает нескольких тысяч градусов, уже начинается отрыв электронов с внешних атомных оболочек. Эти электроны уравновешивают в нейтральном атоме положительный заряд ядра. Когда они отрываются, атом становится ионом, ионизируется. По мере дальнейшего повышения температуры доля ионов и электронов все возрастает, а доля нейтральных атомов уменьшается. При температуре в 20–30 тыс. градусов в плазме уже почти не остается нейтральных атомов. После этого дальнейшее повышение температуры срывает с атомов все более глубокие и тесно связанные с ядром электронные оболочки. Атомы тяжелых элементов, включающие десятки и даже сотню электронов, полностью ионизируются, когда температура достигает миллионов и десятков миллионов градусов.
Термоядерные реакции происходят в плазме. Например, в звездах, которые представляют собой плазменные образования. Но, когда речь идет о лабораторных или промышленных установках, плазма, по-видимому, должна быть заключена в сосуд. Здесь-то и возникает кардинальное затруднение. В свое время в средневековой Европе велся схоластический спор о неком всерастворяющем веществе. Где хранить это вещество? Ведь оно растворит любой сосуд. Несколько аналогичный, хотя вовсе не схоластический, вопрос возникает, когда речь идет о плазме. Любой содержащий плазму сосуд испарится и, более того, сам превратится в смесь ионизированных атомов и электронов. Путь к преодолению такого затруднения состоит в следующем. Если силовые линии магнитного поля окружают плазму со всех сторон, она, находясь в вакууме, не будет распространяться, не приблизится к стенкам сосуда и сосредоточится в ограниченном пространстве, окруженная пустотой. При прохождении тока через плазму, содержащуюся в вакуумной трубке, магнитное поле тока удерживает плазму, не дает ей коснуться стенок трубки, и в трубке образуется тонкий плазменный шнур. Можно создать термоизоляцию плазмы с помощью внешних магнитных полей, не связанных с током, проходящим через плазму. Беда в том, что плазменный шнур, о котором идет речь, неустойчив, он деформируется и в течение миллионных долей секунды меняет свою форму, касаясь стенок трубки. Неустойчивым оказывается и плазменный сгусток в ловушке, созданной внешними магнитными полями.
Заставить плазму, сконцентрированную и сжатую магнитными полями, сохраниться в таком состоянии хотя бы доли секунды — в этом и состоит основная задача на пути к термоядерной энергетике. Пока удалось удержать лишь очень разреженную плазму с температурой в десятки миллионов градусов в магнитной ловушке в течение сотой доли секунды. Подобный результат имеет принципиальное значение. Он делает весьма вероятной реализацию схемы термоядерных реакций в течение ближайших десятилетий. Если нельзя проектировать на конец XX столетия преобразование энергетического баланса на основе термоядерной энергетики, то можно высказать подобный прогноз для первой половины XXI в. Такой прогноз не влияет на выбор путей технической политики в наши дни, но он влияет на выбор путей научного эксперимента. На этом следует остановиться.
Результат эксперимента в общем случае не известен исследователю. Если бы он был известен с достоверностью (можно сказать: с вероятностью, равной единице), то не было бы нужды производить эксперимент. В этом смысле был прав А. Байков, когда на вопрос об ожидаемых результатах эксперимента ответил: «В науке имеют ценность только неожиданные результаты». С другой стороны, если некоторый результат заведомо не может быть получен, т. е. вероятность его равна нулю, эксперимент также теряет смысл: такая, равная нулю вероятность эквивалентна достоверному отрицательному ответу.
Направление сил и средств в экспериментальной работе определяется вероятностью некоторого результата и вероятным эффектом последнего. Но не только этим. Существует независимое от результата «резонансное воздействие» самого эксперимента, каким бы ни был его результат. В зависимости от оригинальности методов исследования, от эйнштейновского «внутреннего совершенства», от проверяемых в экспериментах исходных концепций, от общности подлежащей решению проблемы, эксперимент может оказать более или менее существенное воздействие на смежные и более отдаленные области исследования и практики. Такое воздействие можно иллюстрировать на примере классической энергетики и ее эволюции в предстоящие десятилетия.
Нельзя думать, что воздействие атомной энергетики па классическую сводится к вытеснению последней. Наряду с таким вытеснением (отчасти в противовес вытеснению) происходит другой, более сложный процесс. Резонансный эффект атомной энергетики приводит к большой интенсивности собственных, имманентных тенденций в других областях. В данном случае речь идет о том, что атомная энергетика увеличивает «собственные колебания», собственные тенденции классической энергетики.
Вероятно, поиски новых классических циклов со значительно более высокими коэффициентами полезного действия стимулируются перспективой снижения стоимости киловатт-часа на атомных станциях. Но не в этом состоит основное воздействие атомной энергетики на научно-техническую и экономическую мысль в классической энергетике. Атомная энергетика не только требует от классической энергетики повышения полезного действия установок (требует под угрозой вытеснения), но и дает классической энергетике некоторые физические и технические схемы. Они высказываются в форме прогнозов; физические и технические схемы еще не получили в некоторых случаях практического воплощения, но уже оказывают ускоряющее воздействие на классическую энергетику. В самом деле, очень важная для классической энергетики линия развития — непосредственное получение энергии электрического тока за счет тепловой энергии газа — использует плазму, которая (правда, при иных температурах) является ареной термоядерных реакций.
Прямое преобразование тепловой энергии газа в энергию электрического тока основано на следующей схеме.
Исходная позиция — газ, нагретый до сравнительно высокой температуры, ионизированный, состоящий в некоторой (возможно большей) мере из атомов, потерявших внешние электроны, и из этих ставших свободными электронов. Иначе говоря, — это плазма. Но не высокотемпературная плазма, подобная веществу звезд, а низкотемпературная, ее температура измеряется не миллионами, а только тысячами градусов. При такой температуре ионизация газа и его электропроводность невелики. Поэтому в газ вводят пары некоторых металлов, атомы которых легко теряют внешние электроны. Таким образом, получается в большей степени ионизированная и хорошо проводящая электричество плазменная струя. Она выходит через сопло в вакуум. Далее поток проходит через магнитное поле, положительно и отрицательно заряженные компоненты плазмы отклоняются в противоположные стороны и в плазме возникает электрический ток.
Ионизированный газ заменяет обмотку ротора в обычном генераторе, в которой при вращении ротора индуцируется электрический ток. Этот ток замыкается через электроды, соединенные с внешней нагрузкой. Электроды соответствуют щеткам, снимающим ток с обмотки ротора в обычном генераторе.
Такая установка — магнитогидродинамический генератор — может работать за счет классических источников тепла, но может также использовать энергию атомного реактора. Смесь газов (например, гелий с добавкой легко ионизируемых паров цезия) служит теплоносителем, отводящим тепловую энергию реактора, а частичное превращение этой энергии в кинетическую энергию горячей струи и затем в энергию электрического тока в магнито-гидродинамическом генераторе делает реактор атомной электростанцией.
Подобное соединение реактора с магнитогидродинамическим генератором требует, чтобы реактор работал при высоких температурах: газ с недостаточно высокой температурой не будет обеспечивать высокий коэффициент полезного действия в магнитогидродинамическом генераторе. Таким образом, мы видим не только воздействие атомной энергетики на выбор путей в классической энергетике, но и обратное воздействие. Атомная энергетика дает классической энергетике экономические стимулы. Плата за вход в атомный век — снижение удельных расходов на киловатт-час, причем нормативами становятся удельные расходы на атомных станциях. Далее атомная энергетика передает классической энергетике некоторые существенные результаты исследований плазмы с соответствующим переходом от высокотемпературной плазмы к низкотемпературной (разумеется, это не относится к основным проблемам: задача магнитной ловушки и стабильности сжатой плазмы отсутствует в случае низкотемпературной плазмы).
