- -
- 100%
- +
Глава1.
2038 год, Санкт-Петербург, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Здание Физтеха встречало Максима Олеговича Вершинина привычным запахом - смесью озона, машинного масла и чего-то неуловимо металлического, что въедается в стены институтов, работающих с высокими энергиями. Этот запах сопровождал его последние двадцать лет - с тех пор, как он, аспирант-второкурсник, впервые переступил порог лаборатории физики высокотемпературной плазмы.
Было шесть утра. Зимний Петербург только начинал сереть за окнами, но Максим уже стоял перед пультовой зала управления "Глобусом-3". Сердце установки - сферический токамак - готовился к утренней серии разрядов.
- Максим Олегович, кофе сварен, - раздался голос из-за спины.
Вершинин обернулся. Дмитрий Соколов, его аспирант, протягивал дымящуюся кружку. Молодой, глаза горят, ещё не научился скрывать волнение перед каждым пуском. Максим таким же был когда-то.
- Спасибо, Дим. Системы готовы?
- Так точно. Магнитное поле выведено на номинал, инжекторы нейтральных пучков прогреты, диагностика в норме. - Соколов говорил быстро, чуть тараторя. - Сегодня особый день, да? Первый пуск после замены первой стенки.
Вершинин кивнул, делая глоток. Кофе обжигал горло - именно так, как нужно, чтобы проснуться окончательно. Замена первой стенки - это всегда событие. Три недели простоя, вакуумные камеры вскрыты, десятки специалистов в белых халатах кропотливо монтировали новые графитовые плитки, покрывающие внутреннюю поверхность токамака. Но сегодня всё готово. Сегодня плазма снова коснётся этих плиток.
- Идём, - сказал Вершинин, ставя кружку.
Они вошли в зал управления. Здесь царил полумрак, нарушаемый лишь мягким свечением мониторов и десятками индикаторов на пультах. За центральной консолью сидели трое операторов. На экранах перед ними плыли графики, менялись цифры, вспыхивали спектрограммы - токамак жил своей сложной, невидимой глазу жизнью даже в режиме ожидания.
- Максим Олегович, - поприветствовала его Елена Ковалёва, ведущий инженер диагностики, не отрывая взгляда от монитора. - Ваши расчёты по профилям плотности загружены. Если сегодняшний разряд пойдёт по сценарию 47-Б, у нас есть шанс побить рекорд по времени удержания.
- Если, - усмехнулся Вершинин. - Ты же знаешь нашу плазму, Лена. Она живёт своей жизнью.
- Знаю. - Елена наконец повернулась. Ей было около сорока, как и Максиму, они начинали вместе, ещё на "Глобусе-М2", предшественнике нынешней установки. - Поэтому и волнуюсь. Новая стенка - новые сюрпризы.
Вершинин подошёл к главному пульту. Перед ним на огромном экране высвечивалась трёхмерная модель токамака в разрезе. Вакуумная камера в форме тора - бублика, если говорить проще, но бублика необычного: не круглого, а вытянутого, сплюснутого, похожего скорее на яблоко с дыркой посередине. Сферический токамак - гордость Физтеха. Компактный, мощный, с высоким давлением плазмы при тех же затратах магнитного поля .
Максим смотрел на модель и видел не просто линии и цвета. Он видел то, что скрыто за сталью и графитом: плазменный шнур, раскалённый до ста миллионов градусов - до ста миллионов градусов - температура, при которой вещество превращается в звездное вещество. Видел, как магнитные линии, создаваемые сверхпроводящими катушками, удерживают эту бешеную энергию, не давая ей коснуться стенок. Видел, как частицы мечутся вдоль силовых линий, сталкиваются, рождают новые, отдают энергию...
- Тридцать секунд до старта, - объявил голос из динамиков.
В зале стало тише. Операторы замерли, пальцы зависли над клавишами. Вершинин почувствовал знакомое до боли напряжение - то самое, что не отпускает физика-экспериментатора перед каждым пуском. Сотни раз это было, а привыкнуть невозможно.
- Двадцать секунд.
Максим перевёл взгляд на монитор, где отображались параметры первой стенки. Датчики температуры, потоки частиц, уровень эрозии. Всё в норме. Новая керамика, разработанная в Новосибирске, должна выдержать. Но теория теорией, а практика...
- Десять секунд. Девять. Восемь...
- Ключ на старт, - спокойно произнёс оператор.
- Семь. Шесть. Пять...
Вершинин сжал подлокотник кресла.
- Четыре. Три. Два. Один. Пуск!
На экранах вспыхнули графики. Главное табло загорелось зелёным: "РАЗРЯД".
Максим смотрел на показания диагностики. Ток в плазме нарастал - триста, пятьсот, семьсот килоампер. Плотность росла. Температура электронов перевалила за десять миллионов, потом за двадцать. Хорошо. Очень хорошо
- Инжекторы нейтральных пучков включены, - доложил Соколов. - Мощность нагрева - пять мегаватт.
На экранах замелькали новые графики. Спектрометры регистрировали излучение плазмы, томографические системы строили трёхмерные карты плотности, лазеры зондировали периферию, измеряя микротурбулентность.
- Удержание энергии - сто пятьдесят миллисекунд, - произнесла Елена. - Растёт.
Сто пятьдесят. Это уже близко к рекорду. Сто восемьдесят - цель сегодняшнего дня.
Вершинин перевёл взгляд на спектрограф альфвеновских колебаний. Вот оно - то, что всегда мешало. На графике проявились первые всплески. Частоты в диапазоне мегагерц - типичные альфвеновские собственные моды. Волны, бегущие вдоль магнитных силовых линий, рождаемые быстрыми ионами - продуктами термоядерных реакций .
Альфвеновские волны... Максим знал о них всё. Двадцать лет исследований, десятки статей, бессонные ночи за расчётами. Эти волны - главный враг термоядерщиков. Они выбивают из удержания высокоэнергичные альфа-частицы, которые должны нагревать плазму. Из-за них реактор теряет энергию быстрее, чем вырабатывает. Убей альфвеновские колебания - и термояд станет реальностью.
Но как их убить? Семьдесят лет лучшие умы мира бились над этой проблемой. Строили теории, ставили эксперименты, писали уравнения. Альфвеновские волны - фундаментальное свойство замагниченной плазмы. Они возникают везде, где есть быстрые ионы и магнитное поле. В солнечном ветре, в магнитосферах звёзд, в лабораторных установках . Считалось, что полностью подавить их невозможно - можно лишь минимизировать ущерб.
- Удержание - сто семьдесят миллисекунд, - голос Елены дрогнул. - Ещё немного...
Максим не отрывал глаз от спектрографа. Колебания росли. Частоты расползались, как круги на воде. Одна мода, вторая, третья... Плазма начинала "петь" - на частотах, не слышимых человеческому уху, но смертоносных для термоядерного синтеза.
- Сто семьдесят пять...
И вдруг что-то изменилось.
Вершинин моргнул, решив, что показалось. Но график на спектрографе явственно дрогнул. Одна из мод - та, что на частоте 1.2 мегагерца - начала затухать. Быстро, аномально быстро.
- Максим Олегович, - голос Соколова прозвучал растерянно. - Посмотрите на диагностику первой стенки.
Вершинин перевёл взгляд. Датчики температуры на одном из секторов новой керамической облицовки показывали странную картину: температура росла, но не плавно, а пульсациями, в такт с затухающей модой. И одновременно с этим - поток частиц от стенки в плазму снижался. Керамика вела себя не так, как предсказывали модели.
- Удержание - сто восемьдесят! - воскликнула Елена. - Рекорд!
Но Максим уже не слушал. Он смотрел на спектрограф, где одна за другой гасли альфвеновские моды. Не все, не полностью - но гасли. Затухали быстрее, чем положено по теории. Быстрее, чем когда-либо наблюдалось в "Глобусе-3".
- Что там со стенкой? - резко спросил он.
- Сектор семь-Б, - быстро ответил Соколов. - Керамика новосибирская, экспериментальная партия. Температура колеблется с частотой...
- С частотой затухающей моды, - закончил за него Вершинин. - Я вижу.
Разряд длился ещё двести миллисекунд, потом плазма погасла - подача топлива прекратилась, магнитное поле отпустило, и миллионноградусный шнур рассыпался в ничто, коснувшись стенок и оставив на них свой незримый след. Но для Максима эти двести миллисекунд длились вечность.
- Данные сохранили, - сказал он, когда динамики возвестили об окончании разряда. - Всё. Полную выборку. По каждому каналу. Сейчас же.
- Что случилось? - Елена подошла к его креслу, вглядываясь в монитор. - Я видела, колебания упали... Это диагностика сбойнула?
- Нет. - Вершинин покачал головой. - Это не сбой. Это...
Он замолчал, пытаясь сформулировать мысль, которая уже начала оформляться где-то в глубине сознания. Слишком дикая, слишком невероятная, чтобы произнести вслух. Но цифры не врали.
Альфвеновские волны гасли. И гасли они в контакте с новой керамикой, покрытой каким-то особым напылением - диборидом титана, кажется? Максим смутно помнил доклад новосибирских химиков на прошлой конференции. Они говорили о чем-то таком... о наноструктурированных покрытиях, о дефектном рельефе, об электропроводности на уровне металла...
- Дим, - повернулся он к аспиранту. - Найди мне всё, что есть по этой новосибирской керамике. Технические отчёты, публикации, лабораторные протоколы. Всё.
Соколов кивнул и исчез за дверью архива.
- Максим, - Елена присела рядом, понизив голос. - Ты думаешь, это реально? Подавление альфвеновских мод?
- Я думаю, - медленно произнёс Вершинин, - что мы только что видели что-то, чего никто никогда не видел. Вопрос - было ли это случайностью, флуктуацией, ошибкой измерений - или закономерностью.
- Случайность исключена, - твёрдо сказала Елена. - Я перепроверю все каналы, но визуально... Это было слишком синхронно. Слишком точно.
Максим кивнул. Он чувствовал, как внутри нарастает странное возбуждение - смесь научного азарта, недоверия к собственным глазам и предчувствия чего-то огромного. Так бывало лишь несколько раз в жизни: когда он, ещё студентом, впервые увидел устойчивый разряд; когда защищал кандидатскую; когда "Глобус-М2" впервые вышел на проектную мощность. Это было чувство приближения к Истине.
- Готовь следующий разряд, - сказал он. - Те же параметры. Та же конфигурация магнитного поля. И проследи, чтобы диагностика работала в усиленном режиме. Мне нужно видеть каждую микросекунду, каждую флуктуацию.
- Будет сделано.
Елена ушла к операторам, а Максим остался сидеть перед монитором, перебирая в голове обрывки знаний, накопленных за два десятилетия. Альфвеновские волны... Теория говорила, что они затухают только за счёт столкновений частиц, но в горячей плазме столкновений мало, поэтому затухание слабое. Есть ещё затухание Ландау - бесстолкновительное, связанное с резонансным взаимодействием волн и частиц. Но оно эффективно только для волн с определённой фазовой скоростью . А здесь, судя по графикам, затухали все моды разом - независимо от скорости.
Значит, механизм иной. Значит, что-то во взаимодействии волн со стенкой.
Максим закрыл глаза и попытался представить, что происходит на границе плазмы. Там, где раскалённый газ касается холодной керамики, образуется тончайший слой - несколько миллиметров, где температура падает от миллионов градусов до тысяч, где частицы теряют энергию, рекомбинируют, выбивают атомы из стенки. Сложнейшая область, где смешиваются плазменная физика, физика твёрдого тела, атомная физика.
В учебниках эту область часто упрощают. Считают, что стенка - пассивный элемент, который только принимает на себя удары, нагревается и испаряется. Но что, если это не так? Что, если стенка может быть активной? Что, если правильно подобранный материал, с правильной структурой поверхности, с правильными электрофизическими свойствами способен взаимодействовать с плазмой не как пассивная мишень, а как элемент колебательной системы? Как демпфер, гасящий нежелательные частоты?
- Максим Олегович, - Соколов вернулся с планшетом, на экране которого светился объёмный файл. - Вот всё, что удалось найти по дибориду титана. Статьи новосибирцев, отчёты по испытаниям на установке ВЕТА, спецификации. Там интересные вещи...
- Читай.
- Ну, во-первых, теплопроводность - аномально высокая, почти как у металла. Во-вторых, электропроводность - тоже металлическая. Это снижает риск униполярных дуг. В-третьих, у них там какая-то особая технология спекания: сверхчистые реагенты, долгая обработка поверхности частиц, создание дефектного рельефа... - Соколов поднял глаза от планшета. - Они пишут, что это улучшает прочность на пятьдесят процентов. Но про плазму - ни слова. Только про механические и термические свойства.
- Дай сюда.
Вершинин взял планшет и углубился в чтение. Статья была из "Вестника ИХТТМ СО РАН", сугубо материаловедческая. Никакой физики плазмы, только химия и технология керамики. Но кое-что зацепило внимание.
"Перед спеканием каждая частица порошка проходит многочасовую обработку поверхности на специальной установке - в процессе поверхность частичек очищается и приобретает специальный дефектный рельеф, что способствует их прочному спеканию между собой."
Дефектный рельеф. Обработка поверхности. Максим задумался. Что, если этот дефектный рельеф сохраняется и в готовой керамике? Что, если на поверхности плиток первой стенки есть микро- и наноструктура, способная взаимодействовать с плазмой не как гладкая поверхность, а как...
Он вскочил.
- Дим, где у нас растровая электронная микроскопия этих образцов? До установки, после облучения?
- Э-э... Должна быть, новосибирцы присылали. Я поищу.
- Ищи. Немедленно.
Пока Соколов колдовал над компьютером, Вершинин мерил шагами зал управления. Операторы косились на него, но молчали - привыкли к странностям начальника лаборатории. Елена готовила следующий разряд. На большом экране обновлялись данные по первому пуску, строились графики, вычислялись интегральные характеристики.
- Нашёл, - Соколов развернул ноутбук. - Вот снимки.
Максим впился взглядом в монитор. На микрофотографиях, сделанных с увеличением в десять тысяч раз, поверхность керамики выглядела не гладкой, а изрезанной - настоящий ландшафт из микроскопических холмов, впадин, террас. Размеры неровностей - от десятков нанометров до нескольких микрон.
- Это до облучения, - пояснил Соколов, перелистывая. - А вот после.
Второй снимок показывал ту же поверхность после сотни импульсов на установке ВЕТА, имитирующих тепловую нагрузку от плазмы. И здесь было самое интересное. Рельеф изменился - стал более сглаженным, но не полностью. Кое-где появились новые структуры, похожие на кратеры, но очень мелкие, почти неразличимые.
- Кратеры, - пробормотал Вершинин. - Микрократеры от электрических пробоев? Или от чего?
- Там в тексте написано, - Соколов указал на абзац. - "На коммерческой керамике наблюдались кратеры миллиметрового размера. На экспериментальных образцах - не наблюдалось существенных повреждений". То есть эти кратеры - это и есть повреждения?
- Не обязательно. - Максим покачал головой. - Это может быть следствием взаимодействия с плазмой, но не обязательно повреждением. Смотри: размеры кратеров - микроны. Длина волны альфвеновских мод в пристеночной плазме - тоже микроны. Частота... Чёрт, Дим, это же резонанс!
- Какой резонанс? - не понял аспирант.
- Топологический! - Вершинин уже не скрывал возбуждения. - Поверхность с нанорельефом - это не просто поверхность. Это метаматериал с собственными электромагнитными характеристиками. Если масштаб рельефа сравним с длиной волны колебаний в плазме, возникает резонансное взаимодействие. Волна "чувствует" стенку не как гладкую границу, а как структуру. И если эту структуру правильно рассчитать, можно заставить волну гаситься - переходить в тепло, в электронные возбуждения, в микротоки...
- Но это же... - Соколов запнулся. - Это же никто никогда не делал.
- Именно. - Максим посмотрел на аспиранта. - Потому что плазменщики не думают о нанотехнологиях, а нанотехнологи не думают о плазме. А здесь, понимаешь, здесь стык. Граница двух дисциплин. И, похоже, на этой границе нас ждёт открытие.
Елена подошла к ним, вытирая руки салфеткой - она только что вернулась из диагностического отсека.
- Второй разряд готов, - сообщила она. - Параметры те же. Но, Максим, я перепроверила данные первого пуска. Там действительно аномалия. Я прогнала через три разных алгоритма фильтрации - затухание реальное. Примерно на тридцать процентов выше теоретического предела.
Вершинин и Соколов переглянулись.
- Тридцать процентов, - медленно повторил Максим. - Это не шум. Это эффект.
- Какой эффект? - Елена посмотрела на них с недоумением.
- Мы пока не знаем, - ответил Вершинин. - Но собираемся выяснить. Лена, запускай второй разряд. И дайте мне прямой канал на диагностику первой стенки в реальном времени. Я хочу видеть каждый градус, каждый микрон, каждую флуктуацию.
- Сделаем.
Елена ушла к пульту. Соколов остался стоять рядом, всё ещё держа в руках планшет со снимками новосибирской керамики.
- Максим Олегович, - тихо спросил он. - Вы действительно думаете, что это может быть прорывом?
Вершинин долго молчал, глядя на экран, где уже разворачивалась картина второго разряда. Ток нарастал, температура росла, инжекторы впрыскивали в плазму новые порции быстрых частиц. И снова, как и в первый раз, на спектрографе замелькали всплески альфвеновских мод.
- Смотри, - сказал он, указывая на экран. - Видишь моду на 1.2 мегагерца? Сейчас она начнёт расти...
Мода росла. Амплитуда колебаний увеличивалась с каждой миллисекундой.
- А теперь смотри на температуру сектора семь-Б.
График температуры на новосибирской керамике дрогнул и пошёл вверх мелкими пульсациями. Частота пульсаций точно совпадала с частотой растущей моды.
- Она откликается, - прошептал Соколов. - Стенка откликается на волну.
- Да. А теперь смотри, что будет дальше.
Мода достигла пика. И в этот момент температура на секторе семь-Б резко скакнула вверх - короткий, острый пик длительностью в микросекунды. И одновременно с этим амплитуда моды рухнула.
- Поглощение, - выдохнул Вершинин. - Чёрт возьми, это поглощение! Стенка взяла энергию волны и превратила её в тепло. Мгновенно. Практически без инерции.
- Но как? - Соколов не верил своим глазам. - Это же невозможно... Теория...
- К чёрту теорию! - Максим вскочил, не в силах больше сидеть на месте. - Теория описывает среднюю гладкую стенку. А у нас - наноструктурированная поверхность с дефектным рельефом. Понимаешь? Это не стенка в старом смысле. Это - метаматериал. Это - активная среда.
Он заметался по залу, не замечая удивлённых взглядов операторов. В голове крутились обрывки уравнений, цифры, графики. Плотность плазмы на периферии - десять в восемнадцать, температура - сто электронвольт, длина волны альфвеновской моды - порядка сантиметра в объёме, но у стенки, из-за градиентов, она может уменьшаться до микрон... И если на стенке есть структура с таким же масштабом...
- Дим! - резко остановился он. - Немедленно свяжись с Новосибирском. С ИХТТМ. Найди того химика, который делал эту керамику. Толочко, кажется? Борис Петрович? Узнай всё о технологии. Какая обработка поверхности, какой рельеф, какие размеры структур. Мне нужно точно знать, что у них там.
- Прямо сейчас?
- Прямо сейчас. Пока мы не потеряли нить.
Соколов убежал. Вершинин вернулся к монитору, где Елина уже выводила на экран детальные спектры затухания.
- Посмотри на это, - сказала она, указывая курсором на пик. - Скорость затухания в момент контакта со стенкой - в четыре раза выше расчётной. И она коррелирует с температурным пиком. Сомнений нет: энергия ушла в стенку.
- Что говорят датчики эрозии? - спросил Максим.
- Ничего. - Елена развела руками. - Ноль. Абсолютный ноль. Керамика даже не чихнула. Если бы энергия выделялась в микровспышках, мы бы видели микрочастицы в плазме. А их нет. Чисто.
- Значит, энергия ушла не в испарение, а внутрь материала. В тепло, в электроны проводимости... - Вершинин потёр лоб. - Это меняет всё. Понимаешь, Лена? Если мы научимся управлять этим процессом, если мы сможем проектировать стенку так, чтобы она выборочно гасила вредные колебания...
- То термояд станет реальностью, - закончила за него Елена. - Да, я понимаю. Но до этого ещё далеко. Нужно понять механизм. Нужно воспроизвести. Нужно доказать, что это не случайность, а закономерность.
- Согласен. - Максим кивнул. - Сколько у нас ещё разрядов в сегодняшней серии?
- Четыре. Если хотим, можем продлить.
- Продлеваем. И меняем параметры. Во втором разряде мы видели поглощение на 1.2 мегагерца. В третьем попробуем сместить частоту - изменим ток, плотность, посмотрим, как откликнется стенка.
- Рискованно. Можем потерять режим.
- Можем. Но если не рискнём, так и останемся с одним наблюдением. А одно наблюдение - это случай. Серия наблюдений - это открытие.
Елена улыбнулась - той особенной улыбкой, какой улыбаются люди, понимающие друг друга с полуслова.
- Хорошо. Готовлю третий разряд.
...Следующие шесть часов пролетели как один миг. Третий разряд, четвёртый, пятый, шестой. Максим не отходил от пульта, фиксируя каждое изменение, каждый всплеск, каждую аномалию. И к концу дня картина начала проясняться.
Эффект был реальным. Новосибирская керамика действительно поглощала альфвеновские колебания - но не все, а только те, чья частота попадала в определённый диапазон. И диапазон этот зависел от температуры стенки, от её зарядового состояния, от плотности пристеночной плазмы. Сложная, нелинейная зависимость - но прослеживаемая. Закономерная.
- Это как эквалайзер, - сказал Соколов, когда они втроём - Максим, Елена и Дмитрий - сидели в кабинете Вершинина, разбирая результаты. - Помните, в старых музыкальных центрах? Ползунки для разных частот. Так и здесь: стенка работает как набор фильтров, гасящих одни частоты и пропускающих другие.
- Хорошая аналогия, - одобрил Максим. - Только фильтры здесь не механические, а... как бы это назвать? Плазменно-поверхностные? Топологические?
- А можно узнать, что именно в структуре керамики определяет частоту среза? - спросила Елена. - Если мы поймём это, сможем проектировать стенки под конкретные режимы.
- Толочко обещал прислать подробную спецификацию, - ответил Соколов. - Я созвонился с ним, он очень заинтересовался. Говорит, они никогда не думали о плазменных применениях, только о механической прочности. Но если наши данные подтвердятся, готовы сотрудничать.
- Отлично. - Вершинин откинулся в кресле и закрыл глаза. Только сейчас он почувствовал, как устал. Шестнадцать часов без перерыва, десять разрядов, горы данных... Но внутри горел огонь, не дававший уснуть.
- Максим, - тихо спросила Елена. - Ты понимаешь, что мы нашли?
- Понимаю. - Он открыл глаза. - Мы нашли способ управлять тем, что считалось неуправляемым. Альфвеновские моды - главный враг термоядерного синтеза. Если мы научимся их гасить...
- То Q-фактор вырастет в разы, - подхватил Соколов. - Мы сможем выйти на положительный энергобаланс без гигантских размеров ИТЭР. Компактные реакторы станут реальностью. Это … это как приручить звезду.
- Не торопись, Дим. - Вершинин поднял руку. - Это только первый шаг. Нужно повторить эксперимент на других установках, с другими материалами, в других режимах. Нужно построить теорию. Нужно убедить коллег, что это не аномалия, не ошибка, не случайность. Это годы работы.
- Но начало положено, - улыбнулась Елена. - Сегодня, 12 февраля 2038 года, "Глобус-3" впервые показал, что альфвеновские волны можно гасить. Исторический день.
- Исторический? - Максим усмехнулся. - Посмотрим. История пишется не в день первого наблюдения. История пишется потом, когда тысячи людей повторят твой результат, когда построят первые реакторы, когда зажгут первые лампочки от термояда. А сегодня... сегодня просто вторник. Удачный вторник.
- Скромничаете, Максим Олегович, - покачал головой Соколов. - Я буду гордиться, что был здесь сегодня. Даже если дальше ничего не выйдет - я видел момент. Момент, когда наука сделала шаг вперёд.