Доктор физико-математических наук Михаил ПЕТРОВ, руководитель Отделения физики плазмы Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург)

В начале 1960-х годов небольшая группа ленинградских физиков была вовлечена в работу на токамаках, развернутую в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (ныне РНЦ "Курчатовский институт") под руководством Льва Андреевича Арцимовича.

Его отношение к нам определялось двумя факторами: интересом к новому многообещающему методу диагностики горячей плазмы, разработанному в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе (ФТИ), и уважением к научной школе, сформировавшей его как крупного ученого.

В 1950 г. Андрей Дмитриевич Сахаров*, которого можно считать одним из "крестных отцов" токамака, при расчетах тороидального термоядерного реактора впервые указал на интересный факт: в любой, даже очень горячей плазме, которая вроде бы должна быть полностью ионизованной, существует небольшая фракция нейтральных атомов водорода, находящихся в тепловом равновесии с ионами. Она не сможет оказать существенного влияния на энергобаланс плазмы, но тем не менее заметный поток этих частиц будет выходить на стенку тора.

После публикации сахаровских расчетов в книге "Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций" (1958 г.) на данное явление обратил внимание академик Борис Павлович Константи-

* См.: М. Перельман. А. Д. Сахаров: встречи, беседы, воспоминания. - Наука в СССР, 1991, N 4 (прим. ред.).

нов, тогда директор ФТИ. Он и предложил использовать свободно выходящие атомы для диагностики ионов и измерения температуры последних, т.к. их энергетические распределения оказались близкими. Проблема эта, следует заметить, в то время стояла остро и требовала практического решения. Параметры ионов внутри плазмы тогда можно было изучать только с помощью линейчатой спектроскопии, неприменимой к водородным ионам. Идеи Константинова легли в основу создания в одной из лабораторий его института так называемых анализаторов - аппаратуры для регистрации атомов, вылетающих из плазменного шнура, и методики анализа их спектра.

В начале 1960-х годов ее успешно опробовали на термоядерной установке "Альфа", созданной в ленинградском Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова. Результаты, представленные в 1961 г. на I Международной конференции МАГАТЭ по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Зальцбурге, вызвали большой интерес. Тогда в ФТИ и возникла мысль использовать новую диагностику на токамаках, получивших прописку в Курчатовском институте в отделе Арцимовича. Он с готовностью принял предложение, и группа ленинградских физиков, в составе которой был и я, приехала в Москву.

Первое знакомство с руководителем термоядерных работ состоялось в конце 1962 г. на семинаре, проходившем в кабинете его заместителя - молодого физика-экспериментатора Вячеслава Стрелкова. Я увидел, как в комнату быстро вошел невысокого роста спортивно сложенный элегантный человек и сел в потертое дубовое кресло. Это был Лев Андреевич. Сразу бросилось в глаза, как живо он реагировал на выступления коллег, мгновенно схватывая суть проблемы, быстро находил главные болевые точки и тут же ставил острые вопросы докладчику.

В конце семинара присутствующие столпились у доски, продолжая обсуждать тему. Арцимовича окружила талантливая молодежь - Вячеслав Стрелков, Ксения Разумова, Владимир Муховатов, Денис Иванов, Сергей Мирнов (все они впоследствии стали известными специалистами в области токамаков). Поразила непринужденная и демократичная атмосфера: с Львом Андреевичем спорили, ему возражали, чуть ли не дергая за рукав, т.е. вели себя по-семейному. Я же считал Арцимовича легендарной личностью: один из создателей атомной техники, Герой Социалистического Труда, академик-секретарь Отделения общей физики и астрономии АН СССР. Фамильярное, как мне казалось, обращение к нему молодых не вязалось с высоким рангом ученого. К большому счастью, я вскоре тоже стал членом этой замечательной семьи и наравне участвовал в живых и временами весьма темпераментных спорах.

Арцимович проявлял неподдельный интерес к нашим опытам по измерению потоков атомов из плазмы. Вообще его отношение к экспериментальному материалу заслуживает отдельного разговора. Надо признать: я тогда считал Льва Андреевича скорее теоретиком. Он прекрасно знал все существующие модели, относящиеся к физике плазмы, умел их комбинировать и прилагать к конкретным условиям. При этом глубоко анализировал результаты эксперимента, понимал их физическую основу, быстро оценивал степень надежности и диапазон применимости. Это позволяло ему тут же в процессе обсуждения сопоставлять данные опыта и предсказания теории.

Еще одна свойственная ему черта - феноменальная способность к быстрым численным оценкам. На моих глазах он брал совершенно неподъемное уравнение или интеграл, что-то упрощал, чем-то пренебрегал, раскладывал в ряд, отбрасывал его малые члены и как фокусник, достающий из рукава голубя или кролика, получал результат. Впоследствии можно было решить это уравнение на вычислительной машине - итог выходил тот же с погрешностью до 10 - 15%.

Он любил повозиться с "сырыми" данными. В середине 1960-х годов я много времени проводил в отделе Арцимовича. Обычно останавливался у своих друзей. В один из субботних дней мы гуляли по Москве, а вечером собрались дома большой компанией. В разгар веселья меня позвали к телефону. Я удивился: казалось, звонить сюда было некому. Но еще более смутился, когда в трубке услышал голос Льва Андреевича. "Миша, - сказал он, - извините, что беспокою в выходные дни, но я тут перестраиваю ваши данные... Скажите, вы делите показания на корень из энергии, чтобы была размерность плотности, или нет?". Остолбенев от того, что мне, младшему научному сотруднику, звонит домой сам академик, я пробормотал: "Да, я делю...". "Ну, хорошо, - ответил он, - в понедельник сравним наши графики".

Я долго не мог прийти в себя, ошеломленный громадным диапазоном этого человека, с одной стороны, занимавшегося проблемами организации науки и стимулирования ее новых отраслей, а с другой - строившего карандашом на миллиметровке мои экспериментальные точки. Кроме того, мне было стыдно, что я гуляю и веселюсь в выходные дни, он же, сидя на даче, строит за меня графики и пишет формулы.

Ну а в целом применение наших атомных анализаторов на токамаках оказалось плодотворным. Удалось наладить надежные измерения ионной температуры плазмы и, в частности, доказать на этой основе термоядерную природу нейтронов, зарегистрированных впервые в практике исследований на Т-3А в 1969 г.*

Для меня дорога и другая совместная работа, связанная с появлением в 1970 г. знаменитой "формулы

* См.: В. Стрелков. Царского пути в термояде нет. - В этом номере журнала (прим. ред.).

Арцимовича", описывающей зависимость ионной температуры от комбинации параметров плазмы. Лев Андреевич заметил, что поток энергии от электронов к ионам в режиме омического нагрева не зависит от температуры первых. А что касается потерь энергии, то они определяются в основном классической теплопроводностью. Опираясь на имеющиеся в этой области теоретические данные, он получил выражение, описывающее зависимость ионной температуры от комбинации параметров плазмы.

Свое соавторство в этой работе считаю для себя большой честью. Но скажу откровенно: моя роль была чисто технической. Лев Андреевич попросил "подобрать" для него величины ионной температуры, измеренные с помощью атомных анализаторов, и соответствующие параметры плазмы. Результаты эксперимента и расчета дали хорошее согласование. Это позволило ему сделать важный вывод: энергобаланс ионов в плазме имеет классический характер, что, несомненно, усилило позиции токамаков в мире.

Арцимович вывел формулу для стационарного состояния плазмы. Затем предложил проанализировать энергобаланс на основе динамики ионной температуры и плотности. Задача состояла в том, чтобы найти величину энергетического времени жизни ионов и ее изменение в течение разряда. "Если у вас получится, профессор, - сказал мне Лев Андреевич со свойственной ему иронией, - напишите статью для "Писем в ЖЭТФ"*. Он мог бы гораздо быстрее провести такой анализ и написать заметку сам. Однако, будучи по сути не только выдающимся ученым, но и замечательным учителем, дал выполнить эту работу молодому ученику.

Я уехал в Ленинград и старательно писал заметку, осознавая всю меру ответственности. Получилось, как мне казалось, хорошо. Арцимович не нашел в ней ошибок, но испещрил весь текст стилистическими правками. Отдавая, произнес: "Миша, надо писать мужественно и элегантно". Статья вскоре действительно появилась в упомянутом журнале.

Тут уместно сделать небольшое отступление. Лев Андрееевич обладал замечательным литературным стилем. Достаточно прочесть его монографию "Управляемые термоядерные реакции" (1963 г.), чтобы убедиться в этом. Вот, например, как он пишет о плазме: "...этот сгусток отнюдь не радует глаз очертаниями своих границ... Он скорее напоминает чернильную кляксу, чем ровный кружок". И подобных примеров метафорического и несколько ироничного описания явлений в книге немало. О его писательском даровании, конечно, следует говорить отдельно. Но ясно одно: только абсолютно владеющий материалом автор может излагать научную информацию изящным литературным стилем.

"Формула Арцимовича" была первоначально выведена для так называемого "столкновительного" (классического) режима, в котором тогда работали все термоядерные установки. Но в Т-4 (последнем прижизненном токамаке Льва Андреевича), введенном в строй в начале 1970 г., он показал возможность

* "Письма в ЖЭТФ" - журнал для публикаций по вопросам экспериментальной и теоретической физики (прим. ред.).

перехода в бесстолкновительный режим, при котором следует ожидать более быстрый рост температуры ионов при увеличении тока плазмы, чем это предсказывала его формула. Получение данного эффекта стало бы еще одним неоспоримым свидетельством классического характера теплопроводности ионов. И такую задачу Арцимович поставил в 1972 г.

Работы на Т-4 стали настоящей научной страстью Льва Андреевича, причем последней, ибо проходили всего за два-три месяца до его смерти. Тогда мы впервые применили новую модель - пятиканальный анализатор, способный измерять ионную температуру и ее зависимость от времени в каждом разряде токамака. Это экономило время, но подъем тока плазмы шел тяжело: неисправности появлялись одна за другой. Арцимович уже чувствовал себя плохо, однако звонил в пультовую по нескольку раз в сутки.

Как часто бывает на больших экспериментальных установках, с утра обычно шли многочисленные наладки и настройки и только к вечеру разворачивали сами исследования, которые продолжали до глубокой ночи. Но, увы, предпринятые усилия не дали ожидаемых результатов. Несмотря на то, что удалось повысить ток плазмы почти вдвое, ионная температура не вышла за рамки, определенные "формулой Арцимовича". Значит, плазма не перешла в бесстолкновительный режим. Лев Андреевич не скрывал разочарования, которое, правда, смягчилось тем, что он понял причину неудачи. В одном из последних телефонных разговоров, когда ему сообщили, что даже при максимальных токах температура плазмы не поднимается должным образом, он высказал предположение: по-видимому, при таких режимах в плазму поступает много примесей... Это были последние слова, которые я услышал от него. Буквально через несколько дней Арцимович умер, до конца оставаясь подвижником науки.

Но он был прав в своем научном выводе! Позднее подробный анализ показал: есть много свидетельств интенсивного поступления примесей при больших токах. Эти сведения мы опубликовали в 1973 г. - через четыре месяца после смерти учителя. Данная проблема тогда вышла на первый план, и в установках следующих поколений успешно решалась с помощью дивертора (устройства для удаления примесей из плазмы) и технологий обработки стенок тора. Теперь со всей очевидностью можно сказать: на всех этапах развития токамаков лежит отпечаток идей и практической деятельности Арцимовича.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: