Гиротроны для токамака

Группа нижегородских радиофизиков сразу после получения ими премии за гиротроны. В центре – Андрей Викторович Гапонов-Грехов. Фото из архива автора

Уже сейчас всему человечеству пора думать о будущем дефиците нефти, газа, торфа и угля  да и урана, в общем, тоже. Экономить мы разучились, да и не договоримся мы друг с другом об экономии, разве что под угрозой падения метеорита. Чудесная альтернатива – термоядерный синтез. Этот синтез – источник энергии Солнца, питающего все живое. Неуправляемый синтез реализован человеком в водородной бомбе шестьдесят лет назад. Управляемый синтез в лаборатории становится сейчас все более и более реальным.

Куда подвесить плазму

Суть управляемого синтеза в том, что при слиянии атомов дейтерия (изотоп водорода с одним нейтроном в ядре) и трития (изотоп водорода с двумя нейтронами) образуется атом гелия и выделяется нейтрон. Причем совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше, чем совокупная масса изначальных. Разница массы, в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна Е=mс2, выделяется в виде энергии.

Однако нужно разогнать положительно заряженные ядра дейтерия и трития, чтобы заставить их столкнуться – то есть преодолеть электростатическое отталкивание. Впрочем, столкновения в горячей ионизированной смеси трития с дейтерием происходят сами собой, но вот чтобы увеличить их частоту до нужного порога, смесь нужно сильно нагреть. Температуры высоко ионизированной плазмы не выдержит никакая материальная оболочка, поэтому плазму принято удерживать в магнитной ловушке.

Такая ловушка, получившая название токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), была придумана в 1950-е годы Игорем Евгеньевичем Таммом и Андреем Дмитриевичем Сахаровым – двумя секретными физиками, работавшими над водородной бомбой в легендарном  Сарове. Как пишет Сахаров в «Воспоминаниях», для создания реалистической модели тороидальной ловушки им с Таммом пришлось решить целую кучу непростых физических и математических задач, связанных с устранением разнообразных неустойчивостей в плазме и с созданием нужной топологии удерживающего плазму магнитного поля.

Причем этой сложнейшей проблемой им приходилось заниматься в редких паузах, возникавших при решении основной задачи, поставленной партией и Берией, – создании боевого термоядерного заряда. Испытания заряда успешно прошли в 1953 году, уже после смерти Сталина и после снятия Берии с поста руководителя атомного проекта. А первый токамак построили в 1956-м. Плазма в токамаке вполне готова к реакции синтеза, но ее надо разогреть. Для этого и применяются гиротроны – сверхвысокочастотные генераторы электромагнитных волн. При этом гиротронное излучение также создает плазменный ток, который способствует дополнительной ионизации плазмы и подавляет плазменную неустойчивость. Но это уже тонкости для посвященных.

Сделано в НН

Гиротрон так же, как и токамак, – отечественное изобретение. Его придумали ученые Нижегородского радиофизического института (НИРФИ) в середине 1960-х годов под руководством Андрея Викторовича Гапонова-Грехова, ученика академика Александра Александровича Андронова, переехавшего в Нижний Новгород в начале тридцатых.

Вместе с Андроновым тогда в провинциальный Нижний из Москвы перебрались и родители Андрея Викторовича – Мария Тихоновна Грехова и Виктор Иванович Гапонов, сами замечательные радиофизики. А вместе с ними – целая плеяда московских теоретиков и практиков. Именно Андронов стал одним из организаторов первого в стране радиофизического факультета (да и всей нижегородской радиофизики вкупе с теорией управления и вычислительной техникой). Этот факультет и окончили Андрей Гапонов и многие его коллеги. И именно Андронов поставил перед молодым аспирантом Гапоновым первую задачу – создание общей теории электромеханических систем, которая превратилась в итоге в докторскую диссертацию, а потом привела молодого ученого к исследованиям в области генерации и усиления мощных сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний и волн.

Думается, Гапонову и его товарищам очень пригодилась и разработанная Андроновым теория нелинейных колебаний. Потому что придуманный ими гиротрон с одной стороны – СВЧ-электронный прибор, описываемый классическими уравнениями электродинамики Максвелла, а с другой – мазер, то есть разновидность квантового генератора. И осцилляторный подход Андронова, построенный на формализме предельных циклов Пуанкаре и прочих автоколебательных премудростях, тут пришелся очень кстати.

Разумеется, нижегородские исследователи опирались на работы коллег и предшественников, создавших другие СВЧ-устройства: магнетрон чеха Жачека 1928 года и многорезонаторный магнетрон Алексеева и Малярова примерно того же времени, симплтрон американца Смуллена 1951 года, страфотрон австралийца Твисса 1958 года.

Но главное придумали сами. Сейчас уже трудно разобраться, кто что именно придумал, кто что рассчитал, а кто что сконструировал. Не надо забывать, что гиротрон не теорема, а устройство, причем довольно сложное, да еще и релятивистское – электроны там движутся с околосветовыми скоростями. Достаточно сказать, что группа нижегородских радиофизиков получила в итоге за этот прибор Государственную премию. А Институт прикладной физики, отпочковавшийся чуть позже от НИРФИ, до сих пор отечественный лидер в разработке и производстве гиротронов.

Гиротронная гвардия 

в кожаных пиджаках

Вот они – на старой фотографии у доски: будущий академик Гапонов с кусочком мела в руке и его гиротронная гвардия. Физики шестидесятых, так любовно описанные Василием Аксеновым в «Золотой нашей железке». Романтики, курившие трубки а-ля Хемингуэй и ходившие в горы с ледорубами и гитарами. Посвящавшие свои (распечатанные первыми вычислительными машинами) стихи прекрасным лаборанткам и программисткам, но превыше всего ставящие науку. «Если синие мезоны жрут оранжевых, то какого же цвета будет наша девчонка Дабль-Фью?» – это из упомянутой книжки романтика Аксенова, лирика, как-то очень сдружившегося с физиками, прописавшего их в своей смешной, нежной и немного печальной повести.

Впрочем, я помню их и без книжек, в испачканных мелом кожаных пиджаках на университетских лекциях. Или на ежегодных радиофаковских капустниках, молодых и задорных, соревнующихся друг с другом и с нами, студентами, в остроумии. Хотя нет, это были не сами мэтры, это были их высокоталантливые ученики. Мэтры уже сидели в кабинетах, заглядывали по ночам в лаборатории, выбирались в отпусках на полигоны, планировали и организовывали науку, которая так привлекательно выглядела в фильме «Девять дней одного года».

Эта наука должна была снять противоречия – нет, не между городом и деревней, с этим мы прекрасно справлялись и сами на студенческих картошках. Наука должна была снять противоречие между недалеким прошлым со сталинскими лагерями и бериевскими шарашками и обещанным нам светлым будущим. Об этом секретные физики не говорили, но они об этом думали. И они много сделали, чтобы наш мир стал таким, каким он стал, – с его технологиями и товарами, знаниями и концепциями. Да те же СВЧ-устройства, даже они изменили мир гораздо в большей степени, чем это кажется на первый взгляд.

Правила синтаксиса 

для магнетрона

Началось все с изобретения магнетрона, который стал важнейшей деталью радара. Радар не только во время войны спас Англию от авиационных армад Вермахта. Радар дал нам радиолокацию, радиоастрономию и мобильную связь. Совершенствуя борьбу сигнала с шумом, Найквист и Шеннон, так же, как наши Котельников и Агеев, создали теорию информации, которая позже нашла применение в сотовой телефонии и компьютерных сетях.

Как писал теоретик электронных медиа Фридрих Киттлер: «Для современных телефонных сетей, компьютерных схем и стандартов телевидения открытые радаром прямоугольные импульсы стали фундаментальными. Ведь телевизионные сигналы, в противоположность радиосигналам, не являются одночастотными пространственными колебаниями, но суть чрезвычайно сложносочиненные образования, которые, подобно записанным буквами фразам, имеют правила синтаксиса вплоть до знаков препинания».

Наконец, магнетроны пригодились в повсеместных печах-микроволновках, да и в медицинских СВЧ-комплексах тоже. Гиротроны не так известны, как магнетроны, но и они применяются в самых разных областях техники – от спекания керамики до выращивания алмазов – там, где нужно создать мощное СВЧ-излучение.

В нашем же случае термоядерного синтеза СВЧ-излучение, несущее в себе до мегаватта мощности, направляется в рабочую камеру токамака для разогрева и стабилизации плазмы, чтобы в конечном итоге «зажечь» искусственный термояд. В мире уже построены сотни токамаков, на которых ведутся исследования термоядерного синтеза.

Весьма перспективным представляется идущее сейчас строительство в Кадараше, на юге Франции, термоядерного экспериментального реактора ITER. В программе участвуют страны Европейского сообщества, а также США, Канада, Япония и Россия. Основной российский вклад в программу – поставка партии мощных гиротронов, разрабатываемых для этого в Нижнем Новгороде. В Кадараше будет запущен не полноценный термоядерный реактор, а скорее научный прибор по изучению тонкостей термоядерного синтеза.

Однако все говорит о том, что этот проект станет важной вехой на пути человечества к термоядерной энергетике – дешевой, неисчерпаемой и безопасной. И гиротрон здесь – та волшебная палочка, которая, как предполагается, зажжет свечи на всеобщем празднике энергетического благополучия.

Нижний Новгород