токамак

Пылесос втягивает пыль, даже если её больше у сопла. Так и в токамаке: частицы плазмы стягиваются к центру, хотя у края их плотность выше. Это явление называют пинчем частиц, и оно противоречит обычному правилу, что всё стремится из густого места в разреженное.

Штурман с бумажной картой прокладывает маршрут до выхода в море. Если океан изменится — течение сдвинется, ветер усилится, — карта останется прежней. Судно пойдёт по устаревшему пути, и экипажу придётся вручную корректировать курс.

Обычная лампа светит ровно, а маяк — короткими вспышками. Учёные из Лондона заставили крошечный алмаз работать как маяк, но не для света, а для радиоволн. Для этого в кристалл добавили немного азота, а затем осветили его зелёным лазером.

Внутри солнечной вспышки магнитные линии рвутся, как натянутые резиновые жгуты, и перехлёстываются заново — за минуты высвобождая энергию, которой хватило бы человечеству на миллионы лет. В лаборатории этот процесс, магнитное пересоединение, долго умели лишь запускать, но не останавливать. Теперь у физиков появился рубильник.

Термоядерный реактор — это сверхгорячая печь, где плазма раскалена до миллионов градусов. Стенки такой печи делают из вольфрама: он тугоплавкий, как никакой другой металл. Но даже вольфрам не выдерживает без защиты: быстрые частицы из плазмы бомбардируют поверхность и выбивают атомы.

Микроволновая плазма в вихревом потоке — это своего рода высокотемпературный миксер: газ закручивается в реакторе, а микроволновое излучение разогревает его до тысяч градусов, разрывая молекулы углекислого газа (CO₂) на составные части. Учёные построили компьютерную модель такого реактора, чтобы понять, как давление влияет на процесс расщепления.

Магнитное зеркало — это открытая с обоих концов труба, в которой магнитное поле устроено так, чтобы удерживать горячую плазму — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц. На концах поле сгущается, образуя «пробки»: частицы, летящие к выходу, отражаются от этих областей и возвращаются обратно.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

В кипящей воде можно увидеть прообраз квантового фокуса: если часть жидкости превратить в долгоживущие пузыри пара, основная масса остынет. Именно это происходит при резком ударе по системе взаимодействующих электронов: вспыхивают дублоны — связанные пары частиц, которые вбирают в себя лишнюю энергию и не распадаются поразительно долго.

В кастрюле кипит вода: пузыри бурлят, тепло быстро уходит в воздух. В центре термоядерного реактора ARC плазма ведёт себя похоже — только вместо пузырей там турбулентные вихри, а вместо воздуха — магнитное поле, которое должно удерживать жар. Вихри мешают: они переносят тепло наружу и охлаждают плазму. Но внутри плазмы рождаются быстрые альфа-частицы (ядра гелия, вылетающие из реакции синтеза).

Космос полон невидимых спринтеров — частиц, мчащихся почти со скоростью света. Их ловят в солнечном ветре, у нейтронных звёзд и даже в межгалактической пустоте между галактиками. Но что разгоняет их там, где нет ни ударных волн, ни магнитных пересоединений?

Мощный фен, который дует не тёплым воздухом, а раскалённой добела плазмой, — такие установки называют плазменными аэродинамическими трубами. Они нужны, чтобы на Земле проверить, как космический корабль войдёт в атмосферу. Внутри трубы газ разогревается до тысяч градусов, и часть энергии уходит не с потоком газа и не в стенки, а просто улетает в виде света — как от лампочки.

В кастрюле с кипящим супом бурлящие потоки выносят тепло к стенкам, и суп остывает. В токамаке — огромной магнитной бутылке для плазмы — происходит то же самое: вихри турбулентности уносят энергию наружу, мешая зажечь термоядерную реакцию. Но иногда плазма словно сама находит способ успокоиться.

Вода в чашке остывает за минуты. Газ в комнате заполняет её равномерно за секунды. Но если загнать атомы в трубу толщиной с луч лазера и хорошенько их возбудить, они будут «остывать» к равновесию несколько секунд — целую вечность по атомным меркам.

Космическая плазма — не спокойный газ, а кипящий суп из заряженных частиц, пронизанный магнитными полями. Эти поля ведут себя как натянутые резинки: иногда они рвутся и тут же снова соединяются, но уже по-другому. Этот процесс, который называют магнитным пересоединением, высвобождает огромную энергию.

Спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная достигла температуры, при которой электроны и протоны впервые смогли объединиться в нейтральный водород. Этот процесс, известный как рекомбинация, по сути был первой встречей частиц: до того момента экстремальный жар не позволял им удерживаться вместе.

На Солнце иногда возникают гигантские облака плазмы, которые пытаются вырваться в космос. Но часто им это не удаётся: невидимая магнитная клетка удерживает их у поверхности. Такие неудавшиеся извержения называют «запертыми». Учёные построили компьютерную модель, чтобы понять, как именно работает эта клетка.

Горячая плазма в токамаке похожа на капризного зверя: её нужно удержать, но при этом не дать перегреться. В реакторе ASDEX Upgrade нашли режим, где вихри плазмы сами решают эту задачу. Численное моделирование показало, что колебания на границе плазмы выбрасывают наружу сгустки — как пузыри из кипящей кастрюли.

Кастрюля для супа обычно круглая, а сковорода — плоская. Форма посуды задаёт, как булькает кипяток. В токамаке — установке, где раскалённый газ удерживают магнитным полем, — форму плазмы тоже выбирают не просто так. Обычно поперечное сечение плазменного шнура похоже на букву D: прямая сторона смотрит наружу. Это называют положительной треугольностью.

Перед каждым запуском токамака — установки, где раскалённый газ удерживается магнитным полем, — операторы часами считают, как поведёт себя плазма. Слишком дорого ошибиться: один неверный параметр может сорвать эксперимент. Теперь на помощь приходит нейросеть, которая учится на прошлых запусках и выдаёт прогноз быстрее, чем вы моргнёте.

Лазер бьёт по мишени — и в камеру вылетает облако плазмы, разогнанное до сотен километров в секунду. Вокруг не пустота: камера заполнена разреженным газом, который играет роль космической среды. Плазма врезается в этот газ, как скоростной катер в стоячую воду, и начинает расталкивать его перед собой.

Термоядерный реактор — это попытка удержать маленькое солнце в магнитной клетке. Чтобы оно давало больше энергии, плазму нужно сжимать плотнее. Но у токамаков есть невидимый забор: как только плотность переваливает за определённую черту, плазма вздрагивает и разваливается.

Плазма в термоядерном реакторе — как рой светлячков, который нужно удержать в невидимой банке. Раньше считалось, что стенки банки должны быть идеально гладкими, иначе светлячки найдут щель и улетят. Новая работа показывает: банку можно склеить из кусочков с заметными швами, и рой всё равно останется внутри.

Термоядерный реактор похож на оркестр, где плазма — это мелодия, а магнитные катушки — музыканты. Если один инструмент фальшивит, вся симфония разваливается.

Зажечь миниатюрное солнце — давняя мечта человечества. Обычно учёные пытаются удержать раскалённую плазму (газ из заряженных частиц) при температурах в сотни миллионов градусов. Но плазма норовит вырваться из магнитных ловушек, и удержание стоит огромных затрат.

Пять заряженных атомов кальция парят в ловушке, удерживаемые электрическими полями. Лазерное охлаждение забирает у них лишнюю энергию, и они выстраиваются в крошечную пирамиду с квадратным основанием. Но эта пирамида не стоит на месте: время от времени она переворачивается, как будто кто-то подбрасывает её вверх и ловит вверх ногами.

Чтобы два атомных ядра слились, необходимо преодолеть их яростное электрическое отталкивание — кулоновский барьер, словно свести двух разъярённых быков. В обычных условиях помогает лишь чудовищная энергия, как в звёздных ядрах, где ещё в 1930-х годах Ганс Бете объяснил механизм термоядерного синтеза.

Шесть ионов бария выстроились в плоский шестиугольник внутри ловушки Пауля — устройства, которое удерживает заряженные частицы переменными электрическими полями. Но стоило слегка изменить форму удерживающего потенциала, как кристалл перестроился: один ион сместился в центр, а остальные пять образовали вокруг него кольцо.

Капля чернил в стакане воды быстро размазывается, окрашивая всю жидкость. Так и электроны в металле: они носятся свободно, как молекулы в газе. Но если в эту среду попадает магнитная примесь — атом с собственным магнитным моментом, — начинается странное. При очень низких температурах электроны словно прилипают к примеси, выстраивая вокруг неё облако.