ГЛАВА 9
Магнитный термоядерный реактор.
Магнитная кумуляция
К первым объектовским годам (1950–1951) относится наша совместная с Игорем Евгеньевичем Таммом работа по проблеме управляемой термоядерной реакции.
Я начал думать, как я уже писал, об этом круге вопросов еще в 1949 году, но без каких-либо разумных конкретных идей. Летом 1950 года на объект пришло присланное из секретариата Берии письмо с предложением молодого моряка Тихоокеанского флота Олега Лаврентьева. В вводной части автор писал о важности проблемы управляемой термоядерной реакции для энергетики будущего. Далее излагалось само предложение. Автор предлагал осуществить высокотемпературную дейтериевую плазму с помощью системы электростатической термоизоляции. Конкретно предлагалась система из двух (или трех) металлических сеток, окружающих реакторный объем. На сетки должна была подаваться разница потенциалов в несколько десятков Кэв, так чтобы задерживался вылет ионов дейтерия или (в случае трех сеток) в одном из зазоров задерживался вылет ионов, а в другом – электронов. В своем отзыве я написал, что выдвигаемая автором идея управляемой термоядерной реакции является очень важной. Автор поднял проблему колоссального значения, это свидетельствует о том, что он является очень инициативным и творческим человеком, заслуживающим всяческой поддержки и помощи. По существу конкретной схемы Лаврентьева я написал, что она представляется мне неосуществимой, так как в ней не исключен прямой контакт горячей плазмы с сетками и это неизбежно приведет к огромному отводу тепла и тем самым к невозможности осуществления таким способом температур, достаточных для протекания термоядерных реакций. Вероятно, следовало также написать, что, возможно, идея автора окажется плодотворной в сочетании с какими-то другими идеями, но у меня не было никаких мыслей по этому поводу, и я этой фразы не написал. Во время чтения письма и писания отзыва у меня возникли первые, неясные еще мысли о магнитной термоизоляции. Принципиальное отличие магнитного поля от электрического заключается в том, что его силовые линии могут быть замкнутыми (или образовывать замкнутые магнитные поверхности) вне материальных тел, тем самым может быть в принципе решена "проблема контакта". Замкнутые магнитные силовые линии возникают, в частности, во внутреннем объеме тороида при пропускании тока через тороидальную обмотку, расположенную на его поверхности (рис. 6). Именно такую систему я и решил рассмотреть.
Рис. 6
В начале августа 1950 года из Москвы вернулся Игорь Евгеньевич – кажется, ему был предоставлен кратковременный отпуск. Он с огромным интересом отнесся к моим размышлениям – все дальнейшее развитие идеи магнитной термоизоляции осуществлялось нами совместно. Вклад И. Е. был особенно велик во всех расчетах и оценках и в рассмотрении основных физических концепций – магнитного дрейфа, магнитных поверхностей и некоторых других. Первоначально я предложил назвать нашу тему ТТР (тороидальный термоядерный реактор), но И. Е. придумал более общее и удачное название МТР (магнитный термоядерный реактор); это название привилось, оно применяется и к другим схемам с магнитной термоизоляцией.
Рис. 7
Первая (еще не самая серьезная) трудность, на которую мы обратили внимание, была проблема магнитного дрейфа. Общая картина движения заряженной частицы (иона или электрона) в сильном магнитном поле – спираль, "навитая" на магнитную силовую линию. Радиус витков спирали обратно пропорционален магнитному полю и называется "ларморовским радиусом". Таким образом, двигаясь вдоль силовой линии, частица не выходит из реакторного объема и не соприкасается со стенками, если сами силовые линии не выходят к стенкам. Это и есть принцип магнитной термоизоляции. Но приведенная картина справедлива лишь приближенно, с точностью до параметра, определяемого отношением ларморовского радиуса к радиусу кривизны магнитной силовой линии. Из-за неоднородности магнитного поля в общем случае возникает смещение центра ларморовской окружности, уводящее его с магнитной силовой линии ("магнитный дрейф"). Кроме того, возможен дрейф, вызванный электрическими полями ("электрический дрейф"). Происхождение явления дрейфа легко понять – см. рис. 7; на этом рисунке предположено, что магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа, а напряженность возрастает в направлении оси Х. Кривизна траектории движения заряженной частицы пропорциональна величине магнитного поля и больше в точке В, чем в точке А; в результате траектория частицы (точней, ее проекция на плоскость, перпендикулярную вектору магнитного поля) оказывается незамкнутой, что изображено на рисунке (дрейф в направлении оси Y). Аналогично действует направленное вдоль оси Х электрическое поле. Магнитное поле, созданное тороидальной обмоткой (в отсутствие плазмы) внутри тороида, совпадает с полем прямого тока, текущего вдоль оси вращения; его напряженность обратно пропорциональна расстоянию до оси вращения. В результате возникает дрейф (смещение) заряженных частиц в направлении, параллельном оси вращения, и они попадают на стенку тороидального объема.
Рис. 8
Выход из этой трудности – в рассмотрении систем, в которых, кроме поля, созданного тороидальной обмоткой, есть еще налагающееся на него поле, созданное циркулярным током, текущим внутри тороидального объема (рис. 8). В таких системах уже нет замкнутых магнитных силовых линий, но есть замкнутые магнитные силовые поверхности, охватывающие циркулярный ток. Магнитные силовые линии спирально навиваются на эти поверхности, опять никуда не выходя за пределы внутреннего объема. О магнитных поверхностях есть упоминание еще в курсе И. Е. "Основы теории электричества", написанном задолго до того, как они нам понадобились. В 1950–1951 гг. И. Е. развил эти идеи. Важный вклад (на этом этапе) внес также Н. Н. Боголюбов. В дальнейшем математическую проблему магнитных поверхностей продолжали разрабатывать другие ученые. Мы показали еще в 1950 г., что, хотя магнитный дрейф в таких системах и происходит, он уже не выводит частицы за пределы ограниченного объема. Игорь Евгеньевич сделал тогда еще одно наблюдение, на много лет опередившее развитие МТР. Он указал, что крайне опасно возникновение таких нарушений структуры (топологии) магнитных поверхностей, при которых некоторые магнитные силовые линии могут быть "стянуты в точку" внутри тороидального объема. Такая "бананная", как ее называют, структура может возникнуть, например, из-за неправильностей в изготовлении тороидальной обмотки или из-за плазменных неустойчивостей (см. далее) – и приводит к колоссальному увеличению теплоотвода. В наших первых предложениях мы рассматривали две возможности создания циркулярного тока – при помощи специального кольца с током, расположенного внутри реакторного объема, и при помощи индукционного тока, текущего непосредственно по плазме и созданного импульсными токами в расположенных вне тороидального объема дополнительных циркулярных обмотках. Эта последняя система наиболее близка к системе "Токамак", которая сейчас (1982 г.) представляется одной из наиболее перспективных во всей проблеме управляемой термоядерной реакции. Мы написали отчет-предложение и, что тогда было важнее, рассказали о наших идеях И. В. Курчатову.
В начале 1951 г. (или в конце 1950-го) на объект прибыла комиссия для рассмотрения наших предложений. В комиссию входили Лев Андреевич Арцимович и Михаил Александрович Леонтович, впоследствии возглавившие работы по МТР. Председателем был Арцимович. И. Е. и я сделали серию докладов, в которых, кроме вышеизложенного, осветили и другие вопросы – первые оценки эффективности системы, если "все получится"; при этом рассматривались системы как с чистым дейтерием, так и со смесью дейтерия с тритием (которые представляются более реальными), пристеночные эффекты и многое другое. Важное мое предложение об использовании нейтронов термоядерного реактора для целей бридинга – т. е. для производства при захвате нейтронов урана-233 из тория-232 и плутония-239 из природного урана-238 – вероятно, было сформулировано несколько позже приезда комиссии. Так как выделение энергии на один акт реакции при процессе деления гораздо больше, чем при процессе синтеза, экономические и технические возможности такого комбинированного двухступенчатого производства энергии оказываются выше, чем при получении энергии непосредственно в термоядерном реакторе. Делящиеся материалы производятся при этом в МТР и затем сжигаются в атомных реакторах сравнительно простой конструкции, более простых, чем реакторы на быстрых нейтронах, в которых к тому же накопление делящихся материалов происходит сравнительно медленно. Может быть, я упоминал об этом предложении, но оно не привлекло внимания. Главное внимание при обсуждении было посвящено вопросу о так называемых плазменных неустойчивостях (подробней о них – ниже). Именно ими определяется принципиальная осуществимость МТР. Мы с И. Е. знали об этом кое-что и, конечно, опасались их влияния, но надеялись, что в достаточно больших системах и за достаточно малое время (например, в импульсных термоядерных реакторах) они не скажутся в той мере, чтобы сделать невозможным осуществление МТР. Существовавшие в то время теории турбулентной плазменной диффузии в магнитном поле давали очень большие значения коэффициента теплоотвода (хотя и меньше, чем в отсутствие магнитного поля). Если бы эти теории были справедливы и применимы к МТР, то МТР был бы практически невозможен или очень сложен и громоздок в осуществлении и не экономичен. Но мы не знали об этом летом 1950 года. А когда Арцимович рассказал нам про эти теории, то и мы, и он уже видели перед собой большие перспективы и не хотели отступать без борьбы. Повторилась почти точно (внешне) ситуация, отраженная в известной притче Эйнштейна – как совершаются изобретения. Сначала все специалисты говорят, что это невозможно, и приводят веские аргументы. Потом появляется невежда, который всего этого не знает, и он-то и делает изобретение. Не следует все же понимать эту притчу слишком буквально; "невежда" должен быть на уровне современных научных знаний и еще обладать рядом качеств – иначе ничего не получится; лучше же всего, если он знает о трудностях, но обладает интуицией, чтобы их не бояться даже и тогда, когда еще не может обосновать свою правоту строго логически. В какой-то мере у нас была именно эта ситуация. Но главная особенность истории разработки МТР была в том, что неустойчивости действительно чрезвычайно опасны и их очень много различных типов, о которых никто тогда не подозревал. Неустойчивости простейшего типа – так называемые гидродинамические, т. е. такие, в которых плазму можно трактовать макроскопически как непрерывную среду. Они же оказались самыми "вредными". Пример гидродинамической неустойчивости – образование "перетяжки" на плазменном шнуре, по которому течет ток. Ток создает вокруг шнура циркулярное магнитное поле, сжимающее шнур своим давлением p = H2/8p. Напряженность поля обратно пропорциональна радиусу, поэтому в точке "перетяжки" поле и его давление больше, что приводит к еще большему углублению перетяжки. Это и есть неустойчивость – случайно возникшая самая неглубокая перетяжка за короткое время углубляется настолько, что шнур в этом месте "рвется". Экспериментаторы ЛИПАНа наткнулись на это явление при самых драматических обстоятельствах. Они производили опыты с дейтериевой плазмой, создавая мощные импульсные разряды. Как и следовало ожидать, плазменный шнур сжимался магнитным полем. Предполагалось, что при этом сильно возрастают давление, плотность и температура внутри шнура. По оценкам в их экспериментах не должно было наблюдаться никаких нейтронов от ядерной реакции, но на всякий случай у них была аппаратура для их регистрации. И вдруг эта аппаратура показала образование некоторого (небольшого) количества нейтронов в момент импульса. Возникла ослепительная надежда, что почему-то температура и плотность плазмы оказываются выше, чем по расчетам, и происходит термоядерная реакция! Было от чего закружиться голове. К счастью, у Арцимовича, Леонтовича и большинства экспериментаторов и теоретиков ЛИПАНа головы не закружились. Арцимовичем была высказана гипотеза, впоследствии подтвердившаяся, что в этих опытах имеет место разрыв плазменного шнура в результате "перетяжечной" неустойчивости, а так как по шнуру течет электрический ток большой силы, в точке разрыва возникает электрическое поле (по существу это то же самое явление, которое "наблюдал" когда-то своими пальцами я, размыкая ток батарейки, текущий через обмотку игрушечного моторчика). Электрическое поле ускоряет ядра, находящиеся в точке разрыва, и они взаимодействуют с другими ядрами. Т. е. происходит то же, что в обычной ускорительной трубке. Ядерная реакция действительно имеет место, но это не термоядерная реакция! В дальнейших экспериментах пытались увеличить наблюдаемый эффект, применяя импульсные токи большей величины. Если бы мы имели дело с термоядерной реакцией, то можно было бы ожидать резкого увеличения выхода нейтронов. Но ничего подобного не наблюдается. Это была просто ускорительная трубка, причем плохая. Сенсация развеялась, но, конечно, само явление было очень интересным. История с "фальшивыми" нейтронами получила некоторое отражение в фильме режиссера Михаила Ромма "Девять дней одного года", вышедшем на экраны в 60-х годах; недавно его вновь показывали по телевизору. Игорь Евгеньевич рассказывал мне тогда некоторые подробности его предыстории. Первоначально Ромм обратился за материалами для будущего фильма к проф. Василию Семеновичу Емельянову, тогда начальнику Управления по мирному использованию атомной энергии. (Емельянов – старый большевик, автор нескольких книг воспоминаний; в 60-е годы он выступил в "Правде" с резкими нападками на писателя Виктора Некрасова за умаление роли рабочего класса, тоже в связи с кино.) Что Ромму рассказал Емельянов – мне неизвестно; он любит и умеет поговорить. Но он направил Ромма к И. Е. С Игорем Евгеньевичем Ромм разговаривал несколько раз. Тема была – история МТР. Герой фильма – Гусев – имеет имя и отчество, напоминающие мои – Дмитрий Андреевич, но он экспериментатор; отец его живет в деревне (воплощает народную мудрость). Ромм пытался в своем фильме показать изнутри жизнь научно-исследовательского ядерного института, пафос и психологию работы над мирной (и – за кулисами – немирной) термоядерной тематикой. Мне первоначально фильм скорее понравился; теперь мне кажется, что его портит слишком большая "условность" большинства ситуаций. Для самого Ромма фильм явился как бы переходной ступенью от "Ленина в Октябре" к замечательному и волнующему "Обыкновенному фашизму".
Центральный эпизод в фильме – переоблучение Гусева нейтронами от экспериментальной термоядерной установки.
На самом деле до такой опасности и до сих пор очень далеко!
В 1950 году мы надеялись осуществить МТР за 10, максимум – за 15 лет. (Я говорю о нас с Игорем Евгеньевичем и более горячих головах из числа ЛИПАНовцев; Арцимович и Леонтович были настроены осторожней.) Сейчас позади 32 года напряженной работы многих сотен талантливых людей во всех развитых странах мира. Проведены многочисленные эксперименты в самых разнообразных условиях, многочисленные, часто очень тонкие и глубокие теоретические исследования. И только сейчас, по-видимому, поведение плазмы в неоднородных магнитных полях и поведение систем типа Токамак изучены в той мере, которая дает обоснованную, а не интуитивную надежду на осуществимость этих систем. Но абсолютно достоверный ответ будет получен лишь в ходе демонстрационного эксперимента, надо надеяться – в этом десятилетии!
На основании доклада комиссии было принято постановление Совета Министров, согласно которому разработка проблемы МТР поручалась ЛИПАНу. Ответственный руководитель – Л. А. Арцимович. Руководитель теоретических работ – М. А. Леонтович. Авторы предложения Тамм и Сахаров привлекались в качестве постоянных консультантов. (Подразумевалось, что основной нашей задачей, за которую мы отвечаем, является по-прежнему разработка термоядерного заряда.) Во всех дальнейших работах роль Арцимовича и Леонтовича была очень большой. Арцимович уже имел опыт в плазменных явлениях, который он приобрел занимаясь электромагнитными методами разделения изотопов. Но гораздо важней был его высокий общефизический уровень, прекрасное владение экспериментальной техникой и теорией, острый, скептический и одновременно деловой ум. Очень существенна заслуга Арцимовича в выборе Токамака как основного направления исследований. Что касается Леонтовича, то лучшего руководителя теоретических работ найти было нельзя. Он мало верил в конечный успех, но делал максимум возможного для его приближения. Отношение его к сотрудникам было требовательным, отеческим и самоотверженным. Огромные успехи в теоретической физике плазмы в МТР без него были бы невозможны.
Через несколько недель после комиссии я был вызван к Берии. До этого один раз и много раз после я бывал в Кремле в кабинете Берии ╧ 13 в составе большой группы, возглавляемой "старшими" (Б. Л. Ванниковым и И. В. Курчатовым). Расскажу, как обычно это происходило.
Каждый раз, приехав в Москву, я должен был сидеть, как принято говорить, "на приколе", потом – иногда через неделю – поступал сигнал из Управления: "Зовут наверх". Я приезжал туда, и все вместе мы направлялись в Кремль; в бюро пропусков нам выдавались листочки-пропуска, затем надо было пройти несколько постов проверки, один офицер проверял придирчиво паспорт и пропуск, а другой бдительно смотрел прямо в лицо, нет ли на нем подозрительного выражения. Конечно, задавался вопрос, нет ли у вас с собой оружия (но обыска ни разу не было).
В этот раз я ехал один. В приемной Берии я увидел, однако, Олега Лаврентьева – его отозвали из флота. К Берии нас пригласили обоих. Берия, как всегда, сидел во главе стола, в пенсне и в накинутой на плечи светлой накидке, что-то вроде плаща. Рядом с ним сидел его постоянный референт Махнев, в прошлом начальник лагеря на Колыме. После устранения Берии Махнев перешел в наше Министерство в качестве начальника отдела информации; вообще тогда говорили, что МСМ – это "заповедник" для бывших сотрудников Берии.
Берия, даже с какой-то вкрадчивостью, спросил меня, что я думаю о предложении Лаврентьева. Я повторил свой отзыв. Берия задал несколько вопросов Лаврентьеву, потом отпустил его. Больше я его не видел. Знаю, что он поступил на физический факультет или в какой-то радиофизический институт на Украине и по окончании приехал в ЛИПАН. Однако после месяца пребывания там у него возникли большие разногласия со всеми сотрудниками. Он уехал обратно на Украину. В 70-х годах я получил от него письмо, в котором он сообщал, что работает старшим научным сотрудником в каком-то прикладном научно-исследовательском институте, и просил выслать документы, подтверждающие факт его предложения 1950 года и мой отзыв того времени. Он хотел оформить свидетельство об изобретении. У меня ничего на руках не было, я написал по памяти и выслал ему, заверив официально мое письмо в канцелярии ФИАНа. Мое первое письмо почему-то не дошло. По просьбе Лаврентьева я выслал ему письмо вторично. Больше я о нем ничего не знаю. Может быть, тогда, в середине 50-х годов, следовало выделить Лаврентьеву небольшую лабораторию и предоставить ему свободу действий. Но все ЛИПАНовцы были убеждены, что ничего, кроме неприятностей, в том числе для него, из этого бы не вышло.
После ухода Лаврентьева Берия обратился ко мне с вопросом, как идет работа по МТР у Курчатова. Я ответил. Он встал, давая понять, что разговор окончен, но вдруг сказал:
– Может, у вас есть какие-нибудь вопросы ко мне?
Я совершенно не был готов к такому общему вопросу. Спонтанно, без размышлений, я спросил:
– Почему наши новые разработки идут так медленно? Почему мы все время отстаем от США и других стран, проигрывая техническое соревнование?
Я не знаю, какого рода ответа я ждал. Через 20 лет в "Меморандуме" Сахарова, Турчина и Медведева задается этот же вопрос и дается ответ, что это отставание связано с неразвитостью демократических структур управления, недостатком информационного обмена, недостатком интеллектуальной свободы. Но вряд ли тогда я осознанно думал об этом. Берия ответил мне прагматически:
– Потому что у нас нет производственно-опытной базы. Все висит на одной "Электросиле". А у американцев сотни фирм с мощной базой.
(Такой ответ был мне, конечно, не интересен.) Он подал мне руку. Она была пухлая, чуть влажная и мертвенно-холодная. Только в этот момент я, кажется, осознал, что говорю с глазу на глаз со страшным человеком. До этого мне это не приходило в голову, и я держался совершенно свободно. Вечером этого дня я был у родителей и рассказал им о своей встрече с Берией. Их испуганная реакция усилила мои ощущения; быть может даже, сейчас это трудно восстановить, только тогда я осознал их.
К сожалению, я в дальнейшем не принимал активного участия в работе над МТР. Очень скоро теоретические исследования далеко перешагнули тот уровень, на котором я находился в 1950–1951 гг., и я мог бы делать только сугубо дилетантские работы. Как я уже сказал, было найдено много типов плазменных неустойчивостей и только к концу 60-х годов этот поток неприятных открытий стал иссякать. Одновременно было много новых изобретений, которые создавали впечатление все большей свободы. Первым из таких изобретений был, по-видимому, "пробкотрон" – линейная система с магнитными "пробками", изобретенная Будкером. Очень много изобретений было сделано в США и в других странах, в том числе стелларатор Спитцера (в 1951 году), в котором была сделана попытка осуществить полностью стационарный режим. Особое внимание было уделено способам подавления неустойчивостей. Запас идей и изобретений тут очень велик, вероятно еще богаче, чем запас неустойчивостей. Вплоть до 1968 года, когда я порвал (или меня порвали) с системой МСМ, я поддерживал очень тесные личные контакты с ЛИПАНовской группой Арцимовича-Леонтовича, в меньшей степени – с другими. Я был лично знаком почти со всеми теоретиками, работавшими под очень тактичным и одновременно уверенным руководством М. А. Леонтовича, и с очень многими экспериментаторами, вполне оценил их квалификацию, изобретательность и многолетний энтузиазм, давший им возможность устоять в этом научном марафоне, пережить крушение слишком радужных надежд и продолжать самоотверженно и настойчиво работать, постепенно приближаясь к цели и одновременно обогащая науку о плазме. Как известно, другим важным стимулятором ее развития в те же годы явились космические исследования.
Огромное, принципиальное значение исследованиям МТР придавал И. В. Курчатов. Почти с первых месяцев работы он считал необходимым вести их открыто, в тесном международном сотрудничестве, важность которого он вполне понимал. В 1956 году ему представилась возможность осуществить эту мечту. Намечался правительственный визит Хрущева и Булганина в Англию (Хрущев ехал формально в качестве члена Президиума Верховного Совета). Хрущев предложил Курчатову сопровождать их, при этом Курчатов должен был сделать научный доклад в Харуэлле, в английском атомном центре. Курчатов выбрал две темы – советские работы по реакторам на быстрых нейтронах (БН) и МТР. Работа над БН к тому времени велась уже несколько лет под руководством А. И. Лейпунского и обещала технически реальное в ближайшие годы решение проблемы бридинга (использования основного изотопа урана). Хотя аналогичные работы к тому времени велись в ряде стран, но нам было чем похвастаться в этом важном для ядерной энергетики будущего направлении. Доклад по МТР Курчатов готовил вместе с Арцимовичем (возможно, и с Леонтовичем и другими); И. Е. и я тоже были привлечены к этой работе. Формальной основой доклада были наши с И. Е. отчеты 1951 года и многочисленные теоретические и экспериментальные отчеты ЛИПАНа, выполненные в 1951–1956 гг. Впоследствии эти и другие отчеты были опубликованы в Трудах Первой Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии. Доклад Курчатова (в особенности та часть его, которая относилась к МТР) произвел огромное впечатление на присутствующих, а затем на всю мировую общественность. По-видимому, в некоторых странах велись поисковые работы в области управляемой термоядерной реакции, но все они были строжайше засекречены, а масштаб работ и надежды, на них возлагаемые, были минимальными. Я не знаю никаких подробностей об этих работах даже сейчас. Единственная публикация до 1956 года, которая мне известна, – это английская работа Козинса и Вора, опубликованная, если мне не изменяет память, в 1951 году. Это экспериментальная работа. В стеклянных тороидах ("бубликах") возбуждался импульсным индукционным способом кольцевой разряд. Авторы писали, что подобные исследования могут дать возможность осуществления управляемой термоядерной реакции в дейтерии. К тому времени, когда нам стала известна эта работа, в ЛИПАНе уже было произведено много подобных экспериментов с более высокими параметрами. Никаких упоминаний о тороидальной обмотке в работе Козинса и Вора не содержалось. У нас создалось впечатление, что это – работа изобретателей-одиночек. Нам же уже было ясно, что для осуществления МТР необходим совсем другой подход – целенаправленная работа большого коллектива экспериментаторов, теоретиков и инженеров.
В результате инициативы Курчатова все работы по управляемой термоядерной реакции ведутся сейчас во всем мире открыто, без засекречивания и в тесном международном сотрудничестве. Состоялись многочисленные международные конференции, практиковались взаимные визиты ученых и инженеров и длительная работа ученых и инженеров в лабораториях других стран. Это очень успешное международное сотрудничество в области управляемой термоядерной реакции явилось своего рода образцом для всей мировой системы научного сотрудничества, которая сложилась в шестидесятых – семидесятых годах. Наука по своей природе интернациональна, поэтому ученые очень легко и охотно использовали те возможности, которые предоставило им изменение международного климата. Несомненно, это сотрудничество принесло большую пользу для развития науки и для продвижения и решения тех задач, которые стоят перед человечеством в наше очень трудное и ответственное для будущего цивилизации время.
Однако в последние годы международное научное сотрудничество находится под угрозой и вся сложившаяся его система фактически разрушается в результате ряда недопустимых действий властей СССР. Среди них – арест, осуждение на длительный срок заключения и лишение звания члена-корреспондента Армянской Академии наук Юрия Орлова, арест и осуждение Анатолия Щаранского и Сергея Ковалева и незаконная высылка в Горький автора этих строк.
* * *
В 1960–1961 гг. я еще раз выступил с предложением, относящимся к управляемой термоядерной реакции. В это время поступили сообщения о создании Майманом в США первого лазера на рубине. Я выступил на объекте с докладом, в котором обосновывал возможность использования лазера для возбуждения термоядерной реакции в маленьких шариках, содержащих термоядерное горючее и обжимаемых за счет гидродинамических эффектов при импульсном нагреве лазерным лучом внешней поверхности шариков. В докладе были даны оценки необходимых параметров этих устройств. В дальнейшем оценки были уточнены в серии численных расчетов на ЭВМ, проведенных моими сотрудниками (в особенности Никитой Анатольевичем Поповым). В качестве возможных областей использования этого принципа я называл энергетику и термоядерные импульсно-реактивные двигатели космических кораблей будущего. Мой доклад стал известен не только сотрудникам объекта, но и специалистам по лазерам в других учреждениях. Как известно, в настоящее время в СССР, в США и в других странах ведутся широкие работы по осуществлению термоядерной реакции с помощью лазерного обжатия (а также с помощью мощных импульсных электронных пучков и некоторых других "инерционных" методов). Для целей "большой энергетики" все же мне представляются наиболее перспективными системы, основанные на магнитной термоизоляции (типа Токамак или, быть может, что на мой взгляд менее вероятно, стелларатора). При этом я думаю, что первоначально это будут бридерные системы, в которых источником энергии в конечном счете будет реакция деления. Что касается систем, не использующих урана и тория (их запасы не безграничны, а хранение радиоактивных продуктов деления и выделение газообразных продуктов деления представляют собою некоторую экологическую опасность), то в них я предполагаю "тритиевый бридинг". Установки, питаемые чистым дейтерием, всегда будут менее предпочтительны по сравнению с установками, в которых используется реакция дейтерия с тритием, сечение которой в десятки (почти в 100) раз больше сечения дейтериевой реакции. Размножение трития возможно потому, что дейтерий вовлекается в дейтериевые реакции с образованием трития, а также благодаря размножению быстрых нейтронов при делении и при реакции (n, 2n); затем эти нейтроны захватываются дейтерием или литием-6 с образованием трития. Конечно, все эти соображения являются моим частным и сейчас уже несколько дилетантским мнением.
Очень возможно, что основой энергетики ХХI и последующих веков будут установки управляемого термоядерного синтеза. Участие на ранних этапах в важных для будущего человечества исследованиях управляемой термоядерной реакции является для меня источником большого удовлетворения.
* * *
В 1951–1952 гг. я предложил две конструкции, получившие названия МК-1 и МК-2, предназначенные для получения сверхсильных импульсных магнитных полей и мощных импульсных токов с использованием энергии взрыва (рис. 9-а и рис. 9-б). МК – сокращение слов "магнитная кумуляция". Впоследствии другие авторы предложили некоторые вариации этих конструкций. Все эти устройства основаны на том, что при быстрой деформации контура с током сохраняется полный магнитный поток. При этом энергия магнитного поля возрастает при уменьшении индуктивности; ясно, что это возможно, если контур деформируется внешними силами – в случае систем МК давлением продуктов взрыва. Наиболее проста система МК-1, изображенная на рис. 9-а: это – полый металлический цилиндр, схлопываемый давлением продуктов взрыва. Заряд взрывчатого вещества располагается снаружи металлического цилиндра, первичное магнитное поле во внутренней полости направлено вдоль оси цилиндра. Действие системы наглядно можно представить себе как сжатие (собирание, или "кумуляцию") пучка магнитных силовых линий движущимися металлическими стенками цилиндра. (Отсюда название – "магнитная кумуляция".)
В идеальном случае (при пренебрежении конечным электрическим сопротивлением цилиндра и потерями магнитного потока) магнитное поле и его энергия растут с уменьшением радиуса полости обратно пропорционально квадрату радиуса. Для осуществления этих идей на объекте была создана экспериментальная группа. Первый опыт на МК-1 был осуществлен в мае 1952 года; более сложная система МК-2 (фотография – на рис. 9-б) впервые была опробована к концу года. Возглавляла экспериментальную группу Екатерина Алексеевна Феоктистова, опытный и изобретательный специалист в области газодинамики (так у нас называлась работа со взрывами). Меня она почему-то прозвала "марсианином". Мне это экзотическое прозвище скорее льстило (в 1983 г. после статьи в "Известиях" 4-х академиков Е. А. Феоктистова прислала мне ругательное письмо). Среди молодых сотрудников особенно тесные и дружеские отношения у меня установились с Робертом Захаровичем Людаевым и Юрием Николаевичем Плющевым (до этого Юра был сотрудником теоротдела). Другие участники первых экспериментов: Георгий Цирков, Александра Чвилева, Евгений Жаринов. Людаев и Плющев работали по МК вплоть до 1968 г., вероятно работают и сейчас. Мне запомнился мой первый приезд на экспериментальную площадку в мае 1952 года. Взрывы производились на поляне, окруженной молодыми березками и осинками, только еще покрывшимися свежей, нежной листвой. Кора многих деревьев была содрана осколками – вероятно, подобную картину можно было наблюдать в прифронтовых лесах. Я спустился в каземат, служивший для защиты от взрыва людей и регистрационной аппаратуры, и увидел Роберта Людаева, Юру Плющева и Женю Жаринова (возможно, в этот день был только один из двух последних, я не помню), сидевших на корточках около плитки, на которой грелся чайник. Но они не угостили меня чаем – в чайнике плавилась взрывчатка, которую они разливали по приготовленным формам. Меня растрогало такое обращение с веществом, небольшого количества которого достаточно, чтобы оторвать кисть руки или сделать что-нибудь похуже. Но они знали, что делали, и, по существу, все было безопасно. Роберт тут же ознакомил меня с усовершенствованием, которое они (кажется, именно Людаев, но я не уверен) внесли в конструкцию МК-1. Вдоль образующей металлического цилиндра была сделана косая прорезь. Назначение прорези – пропускать вдоль цилиндра магнитное поле. Без этой прорези импульсное первичное магнитное поле, которое мы создавали расположенными по внешней поверхности цилиндра обмотками, слишком медленно проникало внутрь цилиндра через его хорошо проводящие стенки. При взрыве прорезь бесследно захлопывалась. Это простое изобретение немало способствовало успеху всех экспериментов.
Я вышел из каземата, когда уже смеркалось. Узкой дорожкой, с наслаждением вдыхая влажный запах весеннего леса, прошел на шоссе к ожидавшей меня машине. Вероятно, я отправился не домой – время было горячее, в следующем году намечалось испытание.
* * *
Уже в первом, майском испытании МК-1 было получено рекордное по тому времени магнитное поле в полтора миллиона гаусс. В 1964 году, используя МК-2 для питания первичной обмотки, удалось получить поле в 25 млн. гаусс; давление, создаваемое таким полем, равно 25 млн. килограмм на квадратный сантиметр. Магнитная кумуляция открывает большие возможности для изучения свойств веществ в сверхсильных магнитных полях или (и) при сверхвысоких давлениях (при этом без нагрева веществ ударными волнами, что очень существенно для интерпретации опытов). Пока опубликованных результатов немного, что, видимо, связано с трудностями взрывных экспериментов. Недавно появилось сообщение, что американским исследователям удалось этим методом осуществить фазовый переход водорода в металлическое состояние. (Дополнение 1987 г. У меня нет подтверждений этого сообщения.) Система МК-2 является импульсным источником тока большой силы и мощности (в сравнительно небольших устройствах удается перевести в энергию магнитного поля энергию взрыва 1 кг ВВ1, при этом сила тока достигает 100–200 млн. ампер). Она может быть использована для многих технических задач. В моей публикации (см. ниже) описана электропушка, метающая алюминиевое кольцо со скоростью 100 км/сек.
Наиболее важным для науки применением МК в те годы мне казалось создание импульсных ускорителей элементарных частиц с большими энергиями и интенсивностями пучка. Предложенная мною система должна была работать в две стадии. В первой стадии – как безжелезный импульсный индукционный ускоритель (типа бетатрона) со стационарной орбитой ускоряемых частиц (при этом, как известно специалистам, должно выполняться определенное соотношение между средним и орбитальным полями). Питание "обмоток" ускорителя на этой стадии осуществляется от МК-2. На второй стадии обмотки ускорителя сжимаются за счет энергии взрыва и происходит дополнительное увеличение энергии ускоряемых частиц. Получение особо высоких характеристик ускорителя требовало использования энергии уже не химических ВВ, а энергии атомного или термоядерного взрыва (конечно, весь опыт надо было ставить под землей). Этот грандиозный проект не был осуществлен. Главным возражением было то, что нецелесообразно создавать столь дорогостоящие устройства одноразового действия.
Традиционный способ работы экспериментаторов требует многократного "примеривания", варьирования условий опыта, прежде чем получится что-нибудь стоящее. При этом по ходу эксперимента вся его программа часто перестраивается. Я считал, что одноразовые системы с рекордными характеристиками тоже могут дать очень существенную научную информацию. Я не исключаю и сейчас, что когда-нибудь придется вернуться к импульсным МК-ускорителям.
В 1957 году появилась первая публикация по МК в советской прессе – чисто теоретическая, содержащая предложение системы, очень близкой к МТР. Ее автор – проф. Я. П. Терлецкий2.
Поздней мне стало известно, что ранее идею использования энергии взрыва для получения сверхсильных магнитных полей высказывал профессор МГУ, чл.-корр. АН В. К. Аркадьев. Весьма возможно, что независимо те же мысли высказывали и другие. Но осуществление МК стало возможным лишь тогда, когда возникла определенная культура обращения со сложными зарядами ВВ – кумулятивными, которые появились только во время второй мировой войны, взрывными линзами (тогда же), с имплозивными зарядами (т. е. такими, в которых движение направлено к оси или центру симметрии). По существу, именно объект и ему подобные учреждения были наиболее подходящими для этих работ. В делах такого рода осуществление идеи это даже не полдела, а все 99%!
В отличие от МТР, все наши работы по МК оставались засекреченными вплоть до середины 60-х годов. В 1964 году появились первые зарубежные публикации (с описанием систем типа МК-1). Нам с большим трудом удалось добиться разрешения на опубликование в Докладах Академии наук статьи, содержащей описание наших исходных идей и основных экспериментальных результатов. Статья была подписана основными участниками работы за период 1952–1965 годов* и опубликована в 1965 году1. Местом работы авторов был указан Институт атомной энергии. Вскоре туда пришло приглашение из Италии от проф. Кнопфеля на предстоящую в сентябре 1965 г. конференцию по сверхсильным магнитным полям, получаемым методом взрыва.
Мы решили добиваться разрешения на поездку и представление доклада. Уже этот простой вопрос вызвал большие сложности. Летом 1965 г. я присутствовал на заседании в Министерстве, где обсуждался проект доклада, в котором были некоторые (очень незначительные и тщательно взвешенные с точки зрения секретности) добавления к опубликованной в ДАН записке. Председательствовал заместитель министра В. И. Алферов. Он заявил, что Министерство возражает против посылки доклада, выходящего за рамки опубликованного в печати. Встал научный руководитель объекта Ю. Б. Харитон и доложил, что комиссия под его председательством рассмотрела проект доклада и пришла к твердому мнению, что доклад не содержит ничего, раскрывающего государственную тайну, и что его следует представить на конференцию. Это будет способствовать авторитету советской науки. Алферов усмехнулся и сказал:
– Но мы не со всяким мнением товарища Харитона соглашаемся...
Ю. Б. густо покраснел (эти слова Алферова звучали как публичная пощечина), но промолчал.
За несколько лет перед этим я, не помню по какому поводу, разговаривал с Алферовым, тогда еще работником объекта. Он сказал:
– Хорошая вещь показать силу (или "иметь силу" – не помню). Я вспоминаю, как в Выборге накануне вступления наших войск газеты писали о нас черт знает что, русским нельзя было выйти на улицу – их оскорбляли и избивали. Но как только Красная Армия вошла в Выборг, все изменилось. Те же газеты стали писать о сотрудничестве, а финны – снимать шапочку.
Первоначально мы предполагали, что на конференцию поедут трое: я, Александр Иванович Павловский и Владимир Константинович Чернышев. Но потом я решил отказаться от поездки, так как считал, что при моем уровне секретности, существенно превосходившем уровень более молодых коллег, имевших 1-ю форму секретности, получить разрешение на поездку совершенно безнадежно. Теперь я думаю, что совершил ошибку. Но мне не хотелось зря, как я думал, проходить все утомительные и отнимающие много времени стадии получения разрешения (анкеты, характеристики, медосмотр и т. п.). Кроме того, и это главное, меня удручало, что я не смогу говорить ни о чем, кроме того, что содержится в опубликованной статье. Я бы чувствовал себя при этом идиотом. Вопрос о разрешении Павловскому и Чернышеву решался голосованием Политбюро (опросом по телефону). Была представлена докладная Председателя КГБ Семичастного, резко возражавшего против их поездки. Поездку запретили. Быть может, во главе со мной их бы и пустили, дав в придачу нужное количество офицеров КГБ. Кто знает! В период, пока я еще не отказался, за мной резко усилилась нескрываемая слежка КГБ (забавный случай: я вложил в калоши, чтобы они не спадали, бумажки с какими-то ненужными невинными формулами – их из калош изъяли). Очевидно, меня толкали на добровольный отказ от поездки. Позднее от московских физиков, присутствовавших на конференции (она состоялась во Фраскати, недалеко от Рима), я узнал, что на нее приехал американский ученый К. Фаулер из Аламоса. Ему дали разрешение на поездку после того, как Кнопфель сообщил, что, вероятно, будет и Сахаров. Фаулер приехал с двумя своими дочерьми и, я думаю, с несколькими сотрудниками ФБР.
В конце 1965 г. я получил разрешение опубликовать обзорную статью по МК в журнале "Успехи физических наук". Она появилась в апреле 1966 г.1 Одновременно с ней была опубликована перепечатка из американского научного журнала "Сайентифик Америкен" статьи Ф. Биттера, описывающего американские достижения. В том же 1966 г. ко мне пришел известный автор многих научно-популярных книг Владимир Орлов. После беседы со мной он опубликовал в "Правде" большую статью о магнитной кумуляции и ее перспективах.
Несомненно, магнитная кумуляция может иметь важные научные и практические последствия. До 1968 года я продолжал принимать активное участие в работах по МК. Однако после того, как меня отстранили от секретных работ, я потерял связь с группой, занимающейся МК, и совершенно не знаю, что происходит с этой темой.
Недавно я узнал стороной о тяжелой болезни одного из моих молодых товарищей по этой работе Роберта Людаева, который стоит перед моими глазами, перед опытом на площадке, оживленным, здоровым и полным энтузиазма тридцать лет назад.