Можно ли приручить плазму? — Хаос в термоядерных реакциях

Древние греки называли четыре агрегатные состояния вещества так: земля, вода, воздух и огонь. Три первые нам всем хорошо известны; теперь они обозначаются нами как твердое, жидкое и газообразное. Однако современными физиками было открыто и четвертое состояние вещества — плазма.

Как мы уже видели, различные агрегатные состояния отличаются друг от друга на микроскопическом уровне только относительным расположением отдельных молекул; например, в газообразном состоянии молекулы свободно движутся, и столкновения между ними носят случайный характер. При нагревании газа движение молекул усиливается, и они при этом распадаются на отдельные атомы, прежде входившие в состав молекул газа. Отдельный атом, как известно, состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. При высоких температурах — порядка нескольких миллионов градусов — не только молекулы, но и электроны входящих в их состав атомов приходят в движение настолько интенсивное, что их связи с атомными ядрами оказываются нарушены, однако положительный заряд ядер при этом сохраняется. Газ, в атомах которого произошел разрыв связи между ядром и электронами, физики называют плазмой. В природе вещества, находящиеся в таком состоянии, отнюдь не редкость. Например, из плазмы состоит наше Солнце — вследствие царящих там температур порядка нескольких сотен миллионов градусов.

При столь высоких температурах отдельные атомные ядра сталкиваются друг с другом с чудовищной кинетической энергией; в результате таких столкновений — путем соединения, к примеру, двух малых ядер — могут даже образоваться новые ядра.

Уже в тридцатые годы Ханс Альбрехт Бете и Карл-Фридрих Вайцзекер занимались разработкой схемы, по которой ядра атомов вступают в реакцию друг с другом; конечным результатом подобной реакции было возникновение из четырех ядер водорода нового ядра — ядра атома гелия. Аналогично тому, как в ходе химического соединения атомов в молекулу происходит высвобождение энергии, которая затем преобразуется в тепловое движение, в момент соединения атомных ядер высвобождается поистине колоссальное количество энергии. Именно в ходе таких процессов и производит энергию наше Солнце; энергия эта выбрасывается в космическое пространство, что называется, почем зря: лишь малая ее толика достается Земле. Однако и столь малого количества энергии оказывается достаточно для того, чтобы обеспечить течение всех тех жизненных процессов, о которых мы непрестанно говорим на этих страницах.

Поскольку источники энергии, существующие на самой Земле (нефть, уголь и даже имеющаяся в нашем распоряжении атомная энергия), к сожалению, в легко обозримом будущем окажутся израсходованы, мы обязаны предусмотреть иные, новые способы получения энергии. В этом свете совершенно естественными представляются попытки воспроизвести в земных лабораториях процессы, протекающие на Солнце, чтобы впоследствии создать некое минисолнце, способное снабдить нашу планету энергией. С этой целью предлагается производить на Земле плазму, с помощью которой становится возможным осуществление термоядерных реакций, называемых также ядерным синтезом.

Процесс производства плазмы как таковой, собственно, не так уж и сложен. Электрическая дуга, которая используется для сварочных работ, представляет собой, по сути, плазму, производимую сильным током в воздухе между электродами. Ряд технических ухищрений позволяет ученым достичь и необходимых высоких температур. К сожалению, не обходится и без подвоха: даже при очень высоких температурах отдельные атомные ядра встречаются исключительно редко — им приходится преодолеть многие километры, прежде чем они наконец найдут себе партнера, с которым могли бы соединиться. Таким образом, для того, чтобы состоялась термоядерная реакция, заполненная плазмой область должна иметь поистине колоссальные размеры. Кроме того, частицы плазмы, естественно, очень быстро разлетаются. К сожалению, для плазмы невозможно подобрать подходящую тару: частицы плазмы — электроны и атомные ядра, — передвигаясь при столь высоких температурах, развивают колоссальные скорости и моментально пробивают стенки любых мыслимых емкостей. И все же физикам удалось найти способ, одновременно препятствующий разлета-нию частиц плазмы и вынуждающий их снова и снова сталкиваться друг с другом. Плазма помещается в магнитное поле, для создания которого используются гигантские магниты; физикам известно, что заряженные частицы — каковыми и являются частицы плазмы, — попадая в магнитное поле, отклоняются, вследствие чего оказываются вынуждены двигаться по кругу. «Запертые» таким образом на относительно небольшом участке пространства (хотя диаметр этот по-прежнему измеряется многими метрами), частицы плазмы получают великолепную возможность найти партнера для вступления в термоядерную реакцию. Самая многообещающая магнитная ловушка такого типа носит название Токамак (рис. 12.4). Слово «Токамак» — русского происхождения; первая часть его значит «ток», а вторая является сокращением от слова «максимальный»[14]. Таким образом, Токамак — это производитель максимального тока частиц плазмы.

^{Рис. 12.4. Токамак — гигантская магнитная ловушка (представление о размере этого сооружения можно получить из сравнения с человеком, изображенным слева)}

И тут мы подходим к самому главному. Исследование плазм — настоящее эльдорадо для тех, кто интересуется неустойчивыми состояниями. В ходе нашего повествования мы уже неоднократно убеждались в том, что неустойчивость порождает изменения в макроскопическом движении. Физиками, занятыми изучением плазм, открыто уже более сотни различных типов неустойчивости: например, неустойчивости, при которых в плазме внезапно возникают волны, или такие неустойчивости, при которых образуются абсолютно новые конфигурации потоков. Одну из них мы рассчитали сами; конфигурация эта оказалась настолько красивой, что мы не смогли отказать себе в удовольствии поместить результат расчетов на этих страницах (рис. 12.5).

^{Рис. 12.5. Конфигурация, возникающая в нагреваемой снизу плазме, помещенной в вертикальное магнитное поле. На рисунке показаны горизонтали эпюра скоростей}

Другой тип неустойчивости приводит через некоторое время к полному разрушению потока плазмы. Различные новые волны, конфигурации и прочая настолько многообразны, что физики, занятые изучением плазмы, порой делают попытки установить связи между ними и процессами, протекающими в живой природе. Однако, если рассматривать ситуацию с точки зрения возможности осуществления ядерного синтеза, то физики оказываются отнюдь не в восторге от большинства проявлений неустойчивости. Допустим, если в ходе процесса постоянно происходит смена одного типа неустойчивости другим, или колебания в системе все нарастают и нарастают, то становится попросту невозможно упорядоченно прогнать плазму по кольцу. И тут на сцену выступает хаос — явление, в виде совокупности идей уже нашедшее свое место в физике плазмы. В предыдущих главах мы на ряде примеров уже убедились в том, что в динамических системах могут возникать различные типы совершенно неупорядоченного движения. Очевидно, возникновения такого рода движения следует ожидать и имея дело с плазмой. Итак, перед физиками стоит задача разобраться в сути хаотического движения и таким образом разработать технику, позволяющую управлять хаосом. Я не сомневаюсь в том, что это достижимо[15]. Разумеется, ученым предстоит проделать еще много исследовательской работы, причем благодаря синергетическому подходу отдельные отрасли знания могут и многое почерпнуть друг у друга, так как под хаосом (в научном смысле) подразумевается все же совершенно определенное явление.