Тайны эры Водолея - Страница 61

Перейдем на образный язык. Картина такова, как будто некто гладит тигра, но его шерсть вопреки этому дыбится. Плазму можно уподобить тигру. И чем больше ток в токамаке, тем выше температура плазмы и тем больше флюктуации. Тигр неукротим. Его шерсть неминуемо то там, то здесь касается стенок ловушки - и все пропало.

У меня создалось впечатление, что расчет флюктуаций в плазме ловушек невероятно сложен, упрощенные же расчеты физиков не достигают цели, не отражают реальной картины. В этом - почти непреодолимая трудность. Да, можно предложить способы укрощения тигра, но они приведут, боюсь, к рождению нового поколения монстров-укротителей, совершенно нереальных в воплощении, тем более - в инженерной практике.

Рождение высокотемпературной плазмы - тепловые флюктуации - гибель плазмы. Таков порочный круг, разорвать который нельзя до тех пор, пока мы используем флюктуирующую плазму. Сложилось впечатление, что физики, с которыми я беседовал, плохо знакомы с теорией случайных процессов. Решения задач о пересечении случайным процессом заданных уровней им неведомы. Эти решения (как и другие) они заменяют верой в чудо: больше энергии, больше наблюдений - и все произойдет само собой, плазма будет удержана. Однако единичные удержания даже на секунды не могут внушить оптимизма. Об этом и говорит теория случайных процессов.

Но если нельзя разорвать порочный круг, потому что любая нагретая плазма флюктуирует, то о каком новом пути ее использования можно говорить? Такого пути, очевидно, не должно существовать вообще.

Тем не менее закономерные чудеса в физике все же возможны. Законы газовой динамики свидетельствуют: горячую плазму можно свернуть в кольцо. В этом кольце плазма должна вращаться по винтовой линии, повторяя внутренние очертания ловушки - на некотором расстоянии от ее стенок. Вместе с этим винтовым движением плазма должна вращаться вокруг центра тороидальной ловушки, по большому кругу. Это внешне похоже на винт, замкнутый сам на себя, или на пружину, свернутую в кольцо.

И еще это напоминает смерч, замкнутый точно так же на себя, или змею, кусающую собственный хвост (если отвлечься от вращения по винтовой линии). Простой смерч достаточно устойчив, кольцевой - намного устойчивее, а если есть еще винтообразное движение, то он практически неразрушим и формирует сам себя, вовлекая в свое тело новые и новые порции вещества. При этом давление внутри его падает до очень низких значении, а его винтовое вращение сжимает его стенки до предела.

Я мог бы написать уравнения и формулы, но, думаю, специалист поймет и так, а формулы были бы препятствием не только для неискушенного читателя, но и для иного физика, незнакомого с темой.

Расчеты показывают, что в таком режиме можно достичь сверхзвуковых скоростей винтового движения плазмы. Стенки плазмы приобретают при этом свойства твердого тела. Это кажется парадоксом, но именно это утверждают теория и расчеты. Так я пришел к модели "почти твердой" плазмы. Ее флюктуации сведены к минимуму. Частицы ее как бы вморожены во вращающиеся стенки. Таким же свойством обладают "стенки" смерчей. Не раз замечено, что попавшие в смерч предметы вращаются вместе и падают вместе; гигантские атмосферные вихри, словно по просьбе или молитве, опускают на землю неразрушенные дома и крыши, которые они поднимают в воздух.

Но смерч линеен, а плазма кольцевая, ее начало сходится с концом. Внешне как в токамаке, но только стенки этого полого кольца вращаются - в этом отличие.

Итак, замороженная плазма. Почти твердая кольцевая конструкция, если говорить инженерным языком. С ней и нужно работать физикам. Это и есть тот путь, на который некогда вступил автор этих строк. И тут, я думаю, сыграли роль и ассоциации с эффектом Штермера. Он первым описал кольцо плазмы в виде тора. В своих работах он рисовал эту змею, кусающую свой хвост. Она опоясывает земной шар. Он рассчитал ее устойчивость. Мне оставалось лишь перейти к высоким температурам и давлениям, к сверхзвуковым скоростям вращения тела змеи вокруг ее собственного позвоночника.

Так сигналы из космоса дали первый толчок. Родилась мысль об использовании нефлюктуирующей или почти нефлюктуирующей плазмы (энергия флюктуаций в ней намного меньше энергии вращения).

Плазма капризна, и поведение ее непредсказуемо в целом ряде ситуаций. Отдаленно она напоминает о бушующем море, рисунок поверхности которого постоянно меняется, а глубинные течения и водовороты невидимы. Эта аналогия глубже, чем кажется на первый взгляд, ведь в воде есть и электрически заряженные частицы, ионы, причем иногда их концентрация велика. До некоторой степени вода тоже плазма.

Используя законы газовой динамики, как выяснено выше, из плазмы можно сформировать вращающийся тороид, причем вращение происходит по винтовой линии - то есть само тело тороида кажется неподвижным, но все частицы плазмы на его поверхности следуют по этой траектории. Внутри тороида - почти вакуум. Этот вакуум изолирован от объема ловушки стенками тороида. Они плазменные, эти стенки, но очень плотные, напоминают твердое тело. И вместе с тем частицы в них движутся.

Так мы пришли к результатам, сравнить которые уместно с тем же движением воды. Примерно так она движется в трубе смерча над морем. (Он, правда, разомкнут, не свит в кольцо.) Менее точная, зато гораздо более простая аналогия знакома каждому - это вращение воды в ванне у сливного отверстия, когда ее остается немного. Воздух втягивается вниз, в отверстие, а вода образует вертикальные вращающиеся стенки как бы вопреки даже закону гравитации. На самом деле, конечно, ни один из законов не нарушается. Просто и здесь вращение стремится создать пустоту, в нее входит воздух - в большей или меньшей степени.

Я мог бы описать несколько способов формирования вращающейся плазмы, но это уже технические детали. Достаточно сказать, что тороидальные вихри могут быть получены с помощью звуковых волн в цилиндрических вращающихся конструкциях ловущек, с использованием переменного или пульсирующего электрического поля, магнитов, питаемых по программе. Последние два способа используются уже в тороидальных камерах, а не в цилиндрических. Мне кажется, заслуживает внимания и механический подход - кольцевая турбина в сечении тороида позволит достигнуть цели, поскольку плазма стягивается в полый кольцевой жгут меньшего диаметра, чем сечение ловушки или диаметр кольца турбины. Отверстие в центре турбины - это круг почти такого же поперечника, как и сечение ловушки, внутри его вращается плазма.

Мы, таким образом, уже перешли к техническим проектам устройств управляемого термоядерного синтеза.

Давление, или, точнее, плотность плазмы в стенках тороида, который она образует, очень значительное. Время удержания тоже велико - из-за эффекта "вмороженности" плазмы в стенки, о чем уже говорилось. Однако критерий Лоусона для такой плазмы, по-видимому, не дает полного ответа. Это происходит потому, что движение частиц плазмы иное, оно упорядоченное или "почти упорядоченное", а раз так, то флюктуации играют скромную роль. Именно поэтому известные из теории флюктуирующей плазмы закономерности и формулы перестают "работать".

Это очень интересно само по себе, но наше внимание сейчас сосредоточено на реальном техническом воплощении этого необычного проекта. Поэтому без долгих экскурсов в физику нефлюктуирующей, но движущейся плазмы вообразим, что в полое внутри кольцо вращающейся, как указано, плазмы, сбоку, извне падает луч лазера. Он возбуждает частицы плазмы на внешней поверхности тороида, сообщает им энергию. Если лазер мощный, то энергии достаточно для процесса синтеза. Легкие ядра сливаются. Выделяется энергия термояда. Такое лазерное зондирование может оказаться очень удобным, к тому же вращающаяся плазма уже готова к реакциям синтеза - ее плотность велика.

Расчеты показывают, что проект с лазером вполне работоспособен даже при сверхзвуковых скоростях движения плазмы (по винтовой линии). Лазер является удобным инструментом управления процессом термоядерного синтеза в этом варианте ловушки.