Сахаров и Тамм показали, что при движении заряженных частиц — ядер и электронов — в магнитном поле специальной конфигурации отвод тепла уменьшается настолько, что становится в принципе возможным нагрев плазмы до необходимой температуры и поддержание ее в течение времени, достаточного для термоядерной реакции. Об этих работах доложил И.В. Курчатов 25 апреля 1956 года в своей знаменитой лекции в английском атомном центре в Харуэлле (1) во время визита в Англию с Хрущевым и Булганиным; они были опубликованы в трудах Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии, а также в сборнике (2) под общим заглавием "Теория магнитного термоядерного реактора" (МТР). Части 1, 3 — статьи И.Е. Тамма; часть 2 — статья А.Д. Сахарова. В кратком введении Сахаров пишет: "В работе И.Е. Тамма изложены свойства высокотемпературной плазмы в магнитном поле, дающие надежду на осуществимость МТР. Ниже излагаются другие вопросы теории МТР, а именно: §1. Термоядерные реакции. Тормозное излучение. §2. Расчет большой модели. Критический радиус. Краевые явления. §3. Мощность подмагничивания. Оптимальная конструкция. Производительность по активным веществам. §4. Дрейф в неоднородном магнитном поле. Подвешенный ток. Индукционная стабилизация. §5. Проблема плазменной неустойчивости".
Эти работы Сахарова и Тамма признаются пионерскими. Дальнейшие исследования продолжались под руководством Л.А. Арцимовича. Вот какими словами писали об этом в СССР около десяти лет назад (в более поздних изданиях фамилия "Сахаров" отсутствует): "Курчатов рассказал английским слушателям об оригинальнейшей идее, выдвинутой в 1950 году советскими академиками А.Д. Сахаровым и И.Е. Таммом, — использовать для теплоизоляции плазмы магнитное поле…" (из книги П.А. Асташенкова "И.В. Курчатов", М. 1967).
А вот отрывок из книги И.Н. Головина "И.В. Курчатов" (М., издания 1967 и 1972 гг., стр. 81-82) . Разговор И.В. Курчатова со своим заместителем (фамилия заместителя в книге не названа) в новогодний вечер 31 декабря 1950 года:
Заместитель: "Игорь Васильевич! МТР — ведь это величайшая проблема по освобождению внутриядерной энергии! Первую проблему Вы успешно решили. Никто уже не сомневается, что атомная электростанция будет работать за счет деления урана. Сахаров поднял нас на решение второй, не менее величественной атомной проблемы двадцатого века — получения неисчерпаемой энергии путем сжигания океанской воды! Эта задача, решению которой не жаль отдать всю свою жизнь".
Курчатов остановился. Лучистая улыбка осветила его лицо. "Вы увлекающийся, молодой человек! Говорите — великая проблема!.. " Лицо его стало серьезным: "Да… Проблема великая… Проблема человечная". Курчатов вновь зашагал, поглаживая бороду. — "Проблема величайшая! А как вы будете создавать горячую плазму?"
— Не ясно.
—Очень не ясно! Да-с, молодой человек, очень не ясно.
— Но в этом и состоит основная задача.
Курчатов с присущей ему настойчивостью начал детально обсуждать, как можно получить плазму и нагреть ее. С увлечением рассказал, как Сахаров предложил создавать плазму индукционным способом, надев на тороидальную камеру железный сердечник с первичной обмоткой… Уже через несколько месяцев во главе с Арцимовичем работала созданная Курчатовым лаборатория, насчитывающая до ста сотрудников. Возглавлял теоретические исследования М.А. Леонтович.
Одним из результатов многолетних усилий большого коллектива советских ученых была система, известная под названием "токамак". Эта система наиболее близка к первоначальным идеям Сахарова и Тамма, рассмотревших, в частности, тороидальную конфигурацию в стационарном и нестационарном вариантах. Сегодня она считается одной из наиболее перспективных.
"В настоящее время перспективы представляются лучшими, чем когда-либо прежде; несколько лет назад русские экспериментаторы изобрели установку, называемую "токамак"… Эта установка сравнительно успешно была воспроизведена в США", — писал в 1976 году Ганс А. Бете (3).
"Наиболее остроумным и многообещающим способом был так называемый "токамак", предложенный в СССР", — П.Л. Капица, Нобелевская лекция 1978 года (4).
Весьма полная картина современного состояния проблемы управляемого термоядерного синтеза дана заместителем директора отдела термоядерных исследований Департамента энергии США Дж. Ф. Кларком в обзоре, написанном в декабре 1979 года для журнала "Физика плазмы" (5). Приведу некоторые выдержки из этого обзора:
"Последние результаты экспериментов, выполненных в США, СССР, Европе и Японии, показывают, что "токамак", один из возможных подходов в синтезе, может удерживать термоядерную плазму, необходимую для создания энергии, достаточно хорошо."
"Не существует фундаментальных технических препятствий для практического производства энергии управляемого термоядерного синтеза на основе научного успеха "токамаков".
"Мы одобряем совместное планирование исследований на крупнейших "токамаках" мира, строящихся в настоящее время: Т-15 в СССР, JT-60 в Японии, JET в Европе и TFTR в США. Эти усилия должны подготовить фундамент для следующего шага — перевода термоядерной программы на стадию инженерных разработок. Возможно, это произойдет в начале 1981 года."
Сахаров занимался также принципиально иным, альтернативным методу магнитной изоляции и удержания плазмы, направлением исследований, связанных с использованием лазера. В своей краткой автобиографии А.Д. Сахаров пишет: "В 1961 году я предложил для тех же целей (получения управляемой термоядерной реакции — Б.А.) нагрев дейтерия лучом импульсного лазера". ("Сахаров о себе", Нью-Йорк,1974). Эта идея возникла независимо в разных странах и сейчас интенсивно разрабатывается как в СССР, так и за рубежом.
Поясним несколько подробнее физическую сущность и значение управляемого термоядерного синтеза.
При слиянии двух ядер дейтерия или ядер дейтерия и трития образуются изотопы гелия и быстрые нейтроны. Положительный выход энергии обусловлен уменьшением общей массы покоя реагирующих частиц — в соответствии со знаменитым соотношением Эйнштейна E=mc2. Для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились до расстояния действия ядерных сил, но этому препятствует электростатическое отталкивание, для преодоления которого требуется достаточно большая кинетическая энергия теплового движения ядер. Таким образом, для осуществления термоядерной реакции нужна начальная температура зажигания. В водородной бомбе в качестве запала применяется атомная бомба. В случае управляемого термоядерного синтеза необходимый начальный разогрев можно в принципе получить путем создания в дейтериевой или дейтерий-тритиевой плазме мощных электрических разрядов. При этом главная проблема — удержать эту "молнию" в течение времени (несколько секунд), необходимого для разогрева плазмы до температуры зажигания термоядерной реакции. Необходимо также, чтобы энергия, выделяемая при синтезе ядер, была больше энергии, затрачиваемой на нагревание плазмы: только в этом случае можно сказать, что "дрова разгорелись".
Никакие стенки из вещества для удержания плазмы не годятся, так как при столь высокой температуре они сразу же превратятся в пар. Единственно возможным является метод удержания горячей плазмы в ограниченном объеме с помощью очень сильных магнитных полей. Плазма — это газ электрически заряженных частиц, траектория движения которых под действием магнитного поля искривляется. Выбором определенной конфигурации внешнего магнитного поля, с учетом "Пинча" (самосжатия плазменного шнура собственным магнитным полем), можно надеяться предотвратить разлет плазмы на стенки. Главная возникающая трудность — неустойчивость плазменного шнура. Есть и другие трудности, как, например, разрушение стенок реактора нейтральными атомами, которые всегда в небольшом количестве присутствуют в плазме и которые, очевидно, магнитным полем не удерживаются. Вместе с тем возникающие проблемы скорее технологического, а не принципиального характера.