Если вы посмотрите на фотографии стелларатора, вы увидите, что больше всего он похож на бессистемно смятый бублик. Как будто тор попал в руки великана, который его погрыз, потёр, погнул – и выбросил. На самом деле в измятости стелларатора есть чёткая схема: магнитные силовые линии внутри него многократно перекручены и в первом приближении напоминают ленту Мёбиуса (хотя и не являются ею). Благодаря этому частицы плазмы на разных отрезках то удаляются от оси установки, то возвращаются к ней, и тем самым поддерживается устойчивость системы.
Соответственно, само магнитное поле в стеллараторе создаётся только внешними катушками сложной формы, что позволяет использовать его непрерывно в течение любого промежутка времени, в отличие от токамака – об этом мы ещё поговорим. Важный момент: существует немало конфигураций стеллараторов, потому что перекрутить траекторию движения плазмы, чтобы сделать её устойчивой, можно множеством способов. Впоследствии собственные стеллараторы, в частности торсатрон, были запатентованы и в СССР.
На момент изобретения стелларатора Спитцер работал в Принстонском университете. В 1951 году при университете была образована лаборатория физики плазмы, которую и возглавил Спитцер. Финансирование Принстон получил от военных, поскольку в это же время активно шла работа над термоядерным оружием, а программу, по которой работал Спитцер, назвали проектом «Маттерхорн» в честь альпийской вершины – Спитцер был, помимо прочего, известным альпинистом.
В 1952–1953 годах в лаборатории построили первый в мире стелларатор, известный как Model A. Это была небольшая опытная модель из 5-сантиметровых трубок из термостойкого боросиликатного стекла, и она подтвердила правильность концепции. Потом появились модели B-1 и B-2, а позже и другие конструкции.
Но у стеллараторов имелись и недостатки. В частности, из-за сложной траектории плазма теряла много энергии, и её было значительно сложнее довести до требуемого температурного режима, не говоря уже об очень коротком времени удержания при тех же энергозатратах в сравнении с токамаком.
Давайте теперь узнаем, что такое токамак.
Перекрученный тор не мог быть единственным решением проблемы Ферми. И если в США пошли по пути Спитцера, то в СССР предложили совершенно другой способ магнитного удержания плазмы – как показала практика, более перспективный.
У токамака был свой «Спитцер», и его звали Олег Лаврентьев. В 1948 году он служил солдатом-срочником на Сахалине и занимался самообразованием. Читал книги, учебники, подписался на журнал «Успехи физических наук». Особенно увлекла его ядерная физика, и в 1950-м он написал две свои первые статьи, отправленные секретной почтой в Комитет тяжёлого машиностроения ЦК. Там письма переправили эксперту – Андрею Сахарову, и тот понял, что наткнулся на золотой самородок. Во второй статье Лаврентьев излагал оригинальную систему магнитного удержания плазмы, то есть токамака; сам того не зная, он нашёл решение проблемы Ферми.
Отслужив, Лаврентьев вернулся в Москву, поступил на физфак МГУ, удостоился личной встречи с Берией и получил доступ в Лабораторию измерительных приборов АН СССР, то есть в будущий Курчатовский институт, где вели свои исследования Сахаров и Тамм. Олег Лаврентьев сделал достаточно типовую для советского учёного научную карьеру, но тему токамака дальше развивали другие специалисты.
Надо сказать, что письмо Лаврентьева пришлось кстати: к 1950 году Сахаров уже работал над системами магнитного удержания плазмы и столкнулся с проблемой Ферми. Пришедшая с Сахалина статья подтвердила правильность его собственных идей и послужила катализатором. Уже в январе 1951 года по запросу Сахарова было выделено финансирование под лабораторию, аналогичную проекту «Маттерхорн», а в 1954-м появился первый экспериментальный токамак.
В отличие от стелларатора, токамак не «мнётся», а остаётся совершенно правильным тором, отсюда и его название-аббревиатура –
