Все, что говорилось до сих пор об атомной энергетике, относится к получению энергии в реакциях ядерного деления. Но это не единственный способ поставить на службу человеку энергию, скрытую в недрах вещества.
Надежды на энергетическое изобилие вот уже несколько десятилетий связаны с возможностью зажечь на Земле рукотворное и надежно управляемое мини-солнце — использовать энергию, выделяющуюся при синтезе (соединении) ядер водорода в ядро гелия. Любопытно, что возможность получения энергии из этой термоядерной реакции учеными была понята на несколько лет раньше, чем возможность использования энергии, выделяемой при делении ядер урана. Но вот урановые реакторы уже много лет работают, их вклад в энергетику с каждым годом резко возрастает, а энергию синтеза водородных ядер (термоядерную энергию, термояд) пока реально использовать не удается.
История термоядерных исследований сама по себе достойна внимания, в ней можно найти немало интересного, поучительного. Увидеть, в частности, как природа последовательно ставила на пути физиков одно сложное препятствие за другим и как у исследователей находились силы и даже мужество, чтобы эти нескончаемые препятствия преодолевать.
Сейчас работы ведутся в двух основных направлениях: на установках с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы — в «токамаках» и «стелараторах», и в так называемых инерциальных системах, где микроскопические порции горючего должны непрерывно подаваться в реактор и нагреваться до необходимых сотен миллионов градусов за счет сильнейшего сжатия с помощью мощных лазерных лучей, электронных или ионных пучков.
Естественно, что специалисты, работающие на каждом из этих направлений, лучше других видят его достоинства, и не исключено, что в будущем будут мирно сосуществовать термоядерные установки с реакторами разных типов. Но сегодня, пожалуй, больше других продвинулись к заветной цели, к самоподдерживающейся термоядерной реакции, «токамаки» — установки, родившиеся в нашей стране и ныне широко развиваемые во всем мире. В нескольких странах проектируются или уже начали создаваться достаточно большие «токамаки», в которых можно будет осуществить зажигание самоподдерживающейся термоядерной реакции не с целью получения энергии, а для начала с целью исследования этого процесса. Пока же на «токамаках» идет уточнение ряда важных деталей, идет подготовка к постройке больших реакторов.
Интересные результаты получены в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова на установке «Токамак-7», где впервые использованы сверхпроводящие магнитные системы.
Пуск этой установки ожидался с некоторым трепетом — очень хотелось знать, насколько устойчиво она будет работать. Оказалось, что «Токамак-7» работает устойчиво, надежно, его непрерывно эксплуатируют месяцами, включают для проведения исследований на целый день без перерывов, в то время как более ранние машины таких масштабов включались для кратковременных экспериментов на считанные секунды. За счет сверхпроводящих магнитов «Токамак-7» несравненно экономичнее своих предшественников.
Надежность установки, которую можно считать прообразом реального реактора, вселяет оптимизм, главный источник которого — полученные на «токамаках» параметры плазмы, уже близкие к тем, что должны обеспечить непрерывную реакцию с выделением энергии.
Можно предположить, что термоядерный реактор на основе «токамака» будет работать или непрерывно, или многоминутными циклами с примерно секундными перерывами для выполнения некоторых вспомогательных операций. Чтобы получить устойчивую самоподдерживающуюся реакцию, которая будет выделять больше энергии, чем потребляет установка, нужно иметь достаточно плотную водородную (точнее, дейтерий-тритиевую) плазму (то есть само термоядерное горючее) и удерживать ее длительное время без заметного снижения начальной температуры.
Сейчас на разных установках получены параметры, довольно близкие к требуемым, но добыты они раздельно, не комплексно. Если, например, температура близка к термоядерной, то при этом плотность плазмы или время сохранения нужной температуры в несколько раз меньше, чем требуется. Уже само это «в несколько раз меньше», огорчительное для человека непосвященного, говорит о заметном прогрессе физики — еще не так давно параметры плазмы в «токамаках» в сотни и даже в тысячи раз отличались от того, что нужно для самоподдерживающейся реакции.
Четыре группы исследователей сейчас создают установки, в которых они надеются зафиксировать весь необходимый комплекс параметров, — в СССР, США, Японии и в Объединении европейских стран. Совместными усилиями этих групп по инициативе Советского Союза разработан проект крупнейшего международного «токамака» «Интор», который мог бы заметно превзойти не только существующие, но и проектируемые национальные установки, сделав таким образом важный шаг от экспериментов к термоядерной электростанции.
Интенсивно развиваются и работы по исследованию инерциальных систем, где энергию предполагается получить, так сказать, в пулеметном режиме — от непрерывной очереди термоядерных микровзрывов в сильно сжимаемых микроскопических дейтерий-тритиевых мишенях, которые одна за другой поступают в реактор.
Сейчас исследуются три основные сжимающие системы для инерциальных установок — мощное лазерное излучение, интенсивные пучки электронов или ионов и сильные магнитные поля. Исторически раньше других начались работы в области лазерного термоядерного синтеза, причем здесь много интересных пионерских работ выполнено в ФИАНе — Физическом институте имени П. Н. Лебедева.
Сейчас уже можно сказать, что результаты, которые получат на инерциальных установках, будут определяться мощностью, вложенной в мишень. Судя по всему, это должна быть внушительная величина — примерно 1014 ватт, то есть сто миллионов мегаватт. Как известно, увеличить мощность можно двумя путями: повышая энергию или уменьшая время, в течение которого она действует. Сейчас на всех трех направлениях — лазеры, пучки частиц и магнитные поля — получены довольно большие мощности, но при разных соотношениях энергии и длительности импульса: в лазерных системах при сравнительно небольшой энергии и рекордно коротких импульсах, в системах с магнитным сжатием, наоборот, при большой энергии и довольно продолжительном импульсе и, наконец, в установках с пучками частиц, таких, например, как советская «Ангара-1», при некоторых промежуточных параметрах. Ведущиеся работы позволят решить, какой из трех, как сейчас принято говорить, драйверов имеет основные достоинства.
Размышляя об успехах и проблемах современной физики, о том, насколько исследования в этой обширной области продвигают вперед наши знания, неизбежно обращаешься и к другим областям науки. Физика, исследуя наиболее фундаментальные, глубинные процессы и структуры материи, создает фундамент практически для всех отраслей естествознания и входит в эти области в виде таких, например, важнейших научных направлений, как биофизика, геофизика, химическая физика, металлофизика, радиофизика и др. Каждое из этих направлений достойно отдельного подробного обзора, и довольно трудно представить себе, как можно было бы объединить в одной статье даже короткие упоминания о них. Однако есть такая взаимодействующая с физикой область, о которой непременно следует сказать несколько слов. Речь идет о математике.
Так сложилось, что в сознании многих людей физика и математика бытуют неразрывно, о чем свидетельствует, в частности, узаконенное словосочетание «физико-математический». Эта ситуация вполне объяснима: исторически физика раньше других областей науки начала широко использовать математические методы, да и сама методология современной физики в огромной мере опирается на применение и даже на разработку математического аппарата. Но желание сказать несколько слов о математике связано совсем не с этим, не с той важной ролью, которую она играет в прогрессе физики. Побудительная причина — совершенно новый уровень математизации всей нашей научной и практической деятельности, на который мы поднимаемся с появлением доступных электронно-вычислительных машин. Нам необходимо во многих случаях изменить сам строй нашего мышления в отношении этих машин, научиться более четко организовывать, алгоритмизировать свои рассуждения и размышления, используя технику, особенно для выполнения рутинных вычислительных или логических операций. Должна произойти определенная ломка нашей психологии. Процесс этот непростой, но неизбежный.