А дело оказалось сложным и очень запутанным.

Плазма — это спаянные электрическими силами легкие электроны и тяжелые атомные ядра. Едва возникнув в разрядной трубке, она благодаря «усилиям» всех своих частиц вытесняет магнитное поле тока из своего объема. А вытесненное поле с силой давит на поверхность плазмы и формирует плазменный жгут. Плазменный жгут не соприкасается со стенкой и как будто может достаточно долго существовать при большой температуре.

Но сдавленная магнитным полем плазма совершенно неустойчива. Малейший изгиб плазменного шнура приводит к тому, что давление магнитного поля в месте изгиба становится еще сильнее, деформация усиливается, шнур теряет форму, и раскаленные частицы расплескиваются по стенкам трубки.

В первой же попытке обуздать раскаленное вещество, находящееся в четвертом состоянии, ученые столкнулись с его коварным характером и потерпели неудачу. Ясно было, что ответ на вопрос: «Возможно ли осуществление управляемой термоядерной реакции?» — можно получить только после исследования свойств самой плазмы.

Так возникла новая наука — физика высокотемпературной плазмы, о которой Л. Арцимович как-то полушутя сказал, что ее не следует причислять к естественным наукам, так как предметом естественных наук являются объекты, созданные природой, а предметом физики плазмы — объекты, созданные экспериментаторами.

Сейчас в лабораториях мира работают больше сотни магнитных «бутылок» — разных типов ловушек для плазмы. Одни из них, например, такие, как американская «Сцилла», похожи на разрядную трубку, где плазму удерживают с помощью дополнительного проводника с током. Однако горячая плазма живет в ней всего лишь несколько миллионных долей секунды.

В других, например, в советской системе с магнитными пробками «Огра», готовая плазма впрыскивается в трубку, у торцов которой создается более сильное поле, чем в центре. Заряженные частицы, как свет от зеркала, отражаются от области сильного магнитного поля, и плазма мечется между магнитными пробками.

В начале 60-х годов сотруднику отдела плазменных исследований Института атомной энергии М. Иоффе впервые удалось продлить жизнь плазмы до десятых долей секунды. Он так удачно расположил дополнительные внешние проводники с током, что плазма перестала пролезать между силовыми линиями и преждевременно гибнуть. Это было крупнейшим достижением. К сожалению, в такой установке выживала только очень разреженная плазма.

А физики твердо знают, какая именно нужна плазма, чтобы добиться цели — получения экономически выгодных термоядерных реакций. Плазма, состоящая из смеси дейтерия и трития и нагретая до сотни миллионов градусов, должна иметь такое число частиц (n) в одном кубическом сантиметре и такое время жизни (τ) в секундах, чтобы их произведение (nτ) было больше 3 · 10¹⁴.

Пока ни в одном плазменном устройстве из созданных во многих лабораториях разных стран не получена плазма с необходимыми параметрами. Чаще всего было так, что в установках одного типа удавалось только нагреть плазму до очень высокой температуры. А достаточно большого времени удержания плазмы добивались в установках совершенно другого типа.

Физикам предстояло решить сложнейшую задачу — соединить эти рекордные достижения в одном термоядерном реакторе.

Более 20 лет назад в Институте атомной энергии имени И. Курчатова под руководством академика Л. Арцимовича развернулись исследования плазменных устройств замкнутого типа. В них нет электродов, и плазма как бы замыкается сама на себя.

Эти термоядерные установки — широко известная теперь дружина Токамаков. Их название было составлено из слов, обозначающих основные элементы установки: ток, камера, магнитные катушки — то-ка-ма-к. До последнего времени самым большим из них был Токамак-4, который создавал и удерживал лучшую плазму в мире.

Токамак не бьет по плазме мгновенным электрическим разрядом огромной мощности, не гоняет ее между магнитными пробками. Она свободно растекается в похожей на бублик камере вдоль силовых линий магнитного поля. Металлическая тороидальная камера, наполненная газообразным дейтерием, надета на железный сердечник. В таком сочетании она представляет собой вторичную обмотку трансформатора. Ток, возникающий в камере, разогревает газ и превращает его в плазму.

Плазма, отдаленная от стенок сжимающим ее магнитным полем тока, успевает уравновесить его давление своим собственным газовым давлением. Она превращается в кольцо, расположенное вдоль оси камеры. Но сколько времени оно может просуществовать?

Все зависит от того, насколько устойчив плазменный шнур, покоящийся на магнитных силовых линиях. Представьте себе подвешенное на ниточках в горизонтальной плоскости кольцо из очень мягкой резины. Оно деформируется: в тех местах, где укреплены ниточки, образуются перетяжки, а в промежутках между ними кольцо провисает.

Плазменный шнур — это разреженное облачко ионизированного газа, весящее всего лишь несколько десятков микрограммов. Кольцевая камера Токамака не что иное, как вакуумная камера. Газ, заполняющий ее, при атмосферном давлении весит в миллионы раз больше. Можно представить, как легко деформируется это эфемерное облачко плазмы удерживающим его магнитным полем.

В отличие от устойчивой деформации резинового кольца деформация плазмы, однажды возникнув, непременно нарастает: шнур теряет форму, и плазма гибнет на стенках камеры.

Если вставить в мягкое резиновое кольцо упругую стальную проволоку, оно станет более жестким. Роль такой упругой проволоки в плазменном шнуре Токамака выполняют силовые линии продольного магнитного поля, которое создается дополнительной катушкой, намотанной прямо на камеру. Замкнутые силовые линии этого поля имеют форму окружностей, параллельных плазменному шнуру. Они и создают тот магнитный «дом», в котором физики запирают горячую плазму: она лишается свободы, из-за которой раньше гибла.

Продольное магнитное поле так воздействует на частицы, что каждая из них начинает кружиться вокруг его силовой линии и может свободно перемещаться только вдоль нее. Движение поперек камеры законами электродинамики запрещено. Нарушивший этот запрет участок плазмы тащит за собой и силовые линии продольного магнитного поля, которые из-за коллективных свойств плазмы как бы прикреплены к ней. Распрямляясь, упругие силовые линии задержат нарушителя, и нарастание деформации прекратится.

Скорость потери энергии плазмы в советской установке Токамак оказалась в 50–60 раз меньше предрекаемой американским ученым Д. Бомом.

В 1968 году на конференции в Новосибирске Л. Арцимович сказал: «Мы освободились от мрачного призрака громадных потерь, воплощенного в формуле Бома, и открыли путь для дальнейшего повышения температур…»

Это была серьезная победа советской плазменной школы. Потребовалось десять лет кропотливой работы и совместных усилий экспериментаторов и сотрудников теоретического сектора, возглавляемого академиком М. Леонтовичем, для того, чтобы плазма действительно стала чувствовать себя в Токамаке «как дома».

Окруженная двойной магнитной сеткой плазма не оставляла попыток проскочить сквозь нее. Для отдельных заряженных частиц комбинация магнитных полей в Токамаке — идеальная магнитная ловушка. Но для коллектива частиц плазмы это далеко не так. Тут на руку плазме играла даже форма камеры.

Плазма в тороидальной камере представляет собой проводящий виток с током. А каждый уважающий себя виток, находясь в магнитном поле, стремится растянуться, как свернутая стальная пружина. Развертываясь, плазменный шнур может коснуться стенок и погибнуть.