Гиротроны для токамака
Ученые ищут Волшебные спички, чтобы поджечь рукотворное Солнце
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.
Евгений Стрелков Нижний Новгород
Независимая газета (с)
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.
Евгений Стрелков Нижний Новгород
Независимая газета (с)
