Наука - Мирный термояд

Итак, свершилось! 28 июня собравшиеся в Москве представители России, США, Евросоюза, Японии, Китая и Южной Кореи заявили, что международный экспериментальный термоядерный реактор соорудят в поселке Кадараш, который находится на юго-востоке Франции вблизи города Экс-ан-Прованс. В 1988 году именно там ввели в эксплуатацию самый большой в мире плазменный реактор на сверхпроводящих магнитах Tore Supra.

Это решение положило конец растянувшимся на полтора года публичным спорам и закулисным переговорам о местоположении реактора. Оно было принято без малого через 20 лет после того, как идея создания реактора обрела международный статус. Впервые она обсуждалась на высоком уровне в начале октября 1985 года во время встречи Генерального секретаря ЦК КПСС Михаила Горбачева и президента Франции Франсуа Миттерана. Эта идея получила дальнейшее развитие через полтора месяца, когда Горбачев провел переговоры в Женеве с президентом США Рональдом Рейганом. Вскоре определился первоначальный круг партнеров по разработке реактора – СССР, США, Евросоюз и Япония (со временем к ним присоединились КНР и Южная Корея). В 1999 году США вышли из числа участников этой программы, однако через четыре года сочли за благо вновь к ней вернуться. Вполне вероятно, что в скором времени к ней присоединятся также Индия и Бразилия.

Машина, которую построят в Кадараше, не сможет работать в качестве термоядерной электростанции, но, возможно, приблизит время ее появления. Неслучайно ее назвали ITER. Эта аббревиатура расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, но имеет и символический смысл, по-латыни iter – дорога, путь. По замыслу конструкторов, кадарашский реактор должен проложить путь к термоядерной энергетике будущего, которая обеспечит выживание человечества и после истощения запасов угля, нефти и газа. Впрочем, она понадобится и по другой причине. Через 40–50 лет человечеству придется резко сократить использование органического топлива в связи с перегревом атмосферы, обусловленным возрастанием концентрации углекислого газа.

Хотя журналисты не устают твердить, что ITER воспроизведет на Земле процессы, протекающие в глубинах Солнца, это сравнение не слишком правомерно. Основой внутрисолнечного термоядерного синтеза является так называемый водородный цикл, в ходе которого четыре протона превращаются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Этот цикл включает в себя несколько ядерных реакций, скорости которых зависят от температуры и плотности солнечных недр. Первая из них, превращение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем требует примерно 14 миллиардов лет (стоит вспомнить, что срок жизни нашей Вселенной несколько короче). Не приходится удивляться, что реакция известна физикам лишь теоретически, в эксперименте еще никто ее не наблюдал. Конечно, некоторым протонам удается встретиться и объединиться и за много меньшее время. Будь иначе, термоядерная печь в центре сгустившейся газо-пылевой туманности, которая 4 млрд. 600 млн. лет назад дала начало нашему Солнцу, не зажглась бы и до сих пор. Однако из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мала. Как ни парадоксально, один грамм солнечной материи выделяет даже меньше тепла, чем грамм человеческого тела! Исполинская мощность излучения Солнца, 3,8x10²⁶ Вт, объясняется его гигантской массой. Поэтому в качестве источника энергии для электростанций водородный цикл явно непригоден.

К счастью для нас, на нем свет клином не сошелся, есть и другие реакции. Для энергетического реактора лучше всего подходит слияние ядер дейтерия и трития, в результате него образуется ядро гелия и нейтрон. Любопытно, что энерговыделение этой реакции значительно меньше высвобождения энергии в водородном цикле – 17,6 млн. электронвольт (МэВ) против 26,2 млн. Однако здесь счет времени идет лишь на секунды, и поэтому она вполне устраивает конструкторов термоядерных реакторов. ITER как раз и будет работать на дейтериево-тритиевой смеси. Источником дейтерия послужит обычная вода, а тритий будут получать из облученного нейтронами лития, самого легкого из всех металлов, третьего элемента таблицы Менделеева.

Для преодоления кулоновского отталкивания дейтериево-тритиевую плазму необходимо нагреть минимум до 100 млн. градусов. Однако эта температура сама по себе не повлечет за собой самоподдерживающийся термоядерный процесс. В среднем на каждые сто тысяч столкновений ядер дейтерия с ядрами трития приходится лишь единственный акт образования гелия. Поэтому для запуска реактора плазму следует не только подогреть, но и сильно сжать. Ее также надо сохранить в таком состоянии столь долго, чтобы успело сгореть заметное количество термоядерного топлива. Требуемую плотность плазмы и продолжительность ее удержания можно вычислить на основе численного критерия возникновения термоядерной реакции, установленного в 1957 году американским физиком Джеймсом Лоусоном и носящего его имя.

Как же обеспечить выполнение критерия Лоусона в лабораторных, а затем и в промышленных установках? Сейчас для этого существуют лишь два перспективных метода – магнитный и инерционный. В первом случае плазму изолируют с помощью сильных магнитных полей, которые препятствуют ее падению на стенки реактора. В соответствии с условием Лоусона, при температурах порядка 100–200 миллионов градусов требуемая плотность плазмы составляет 200–300 триллионов частиц на кубический сантиметр (звучит страшновато, но это всего лишь несколько миллиграммов на кубометр), а время удержания – 2–3 секунды. При использовании второго метода дейтериево-тритиевые мишени обжимают с помощью лазерных импульсов. Этот способ позволяет в миллиарды раз увеличить плотность плазмы и в такой же пропорции сократить длительность ее удержания. В принципе, возможно и сжатие плазмы ударными звуковыми волнами, которое периодически рекламируют как «холодный» термояд, однако оно никак не обеспечивает выполнение критерия Лоусона. ITER задуман именно как агрегат с магнитным удержанием.

Работа над подобными системами ведется уже более 50 лет. Андрей Дмитриевич Сахаров писал в своих «Воспоминаниях», что впервые задумался об осуществлении управляемой термоядерной реакции в 1949 году, однако «без каких-либо разумных конкретных идей». Далее сработала рука судьбы в лице секретариата Берии. Летом 1950-го из грозной инстанции на заключение Сахарову было выслано письмо, отправленное в ЦК ВКП(б) младшим сержантом Олегом Лаврентьевым, который служил на Сахалине радиотелеграфистом. 24-летний Лаврентьев предложил вполне разумную схему водородной бомбы, а также конструкцию промышленного термоядерного реактора, где изоляция плазмы осуществлялась за счет постоянного электрического поля. Сахаров в своем отзыве весьма лестно отозвался о Лаврентьеве, но подчеркнул, что электростатическая термоизоляция плазмы неосуществима на практике. Тогда же Сахаров понял, что плазму можно удержать магнитным полем, замкнутым внутри тороидальной обмотки. Через несколько дней к этой проблеме подключился и Игорь Евгеньевич Тамм. Сахаров и Тамм рассчитали конфигурацию магнитных полей, способных сжимать плазму в тонкий шнур и препятствовать ее падению на стенки камеры. Эти вычисления стали основой программы разработки тороидального магнитного термоядерного реактора, утвержденной Совмином 5 мая 1951 года. Научное руководство этими исследованиями было возложено на члена-корреспондента АН СССР Л.А. Арцимовича.

Совминовское постановление было принято в изрядной спешке – и не случайно. 24 марта аргентинский президент Хуан Перон заявил, что австрийский физик-эмигрант Рональд Рихтер добился «контролируемого высвобождения ядерной энергии при температуре в миллионы градусов без применения уранового топлива». По логике, речь могла идти только о термояде. Курчатов доложил об этом Берии, который тут же пробил решение о начале работ над советским реактором. Постановление подписал сам Сталин. Что до пероновской сенсации, то она, конечно, оказалась блефом. Рихтер не был шарлатаном, он экспериментировал с высокотемпературными дуговыми разрядами и вполне мог получить температуру порядка 50 тысяч градусов, но к термояду, конечно, даже и не приблизился. В позапрошлом году журнал Physics Today сообщил, что опыты Рихтера облегчили аргентинскую казну на 62 млн. песо, около 10 млн. долларов по тогдашнему курсу.

За океаном на эту тему стали думать еще раньше. В 1946 году физики в Лос-Аламосе произвели расчеты двух конфигураций «магнитных бутылок» для удержания плазмы – цилиндрической и тороидальной. Им показалось, что такие «сосуды» неизбежно будут подтекать, и поэтому дальше вычислений дело не пошло.

В 1951 году американский физик Лайман Спитцер предложил более сложную конструкцию магнитного реактора, который он назвал стелларатором (кстати, в интервью 1988 года сам Спитцер рассказал, что к разработке стелларатора его подвигнуло сообщение о заявлении Перона). Первые эксперименты со стеллараторами оказались неудачными, но сейчас с этими системами работают в США, Японии и ФРГ. Примерно тогда же английские и американские физики начали эксперименты с магнитным удержанием газовых разрядов в трубках-бубликах (такие разряды называются тороидальными пинчами). Позднее были предложены и другие типы магнитных ловушек для плазмы. Однако, как показало время, наиболее перспективной оказалась схема Сахарова и Тамма. Именно на ее основе были созданы многочисленные реакторы-токамаки, к числу которых относится и ITER.

Считается, что слово «токамак» возникло как аббревиатура фразы «тороидальная камера с магнитными катушками». Однако на самом деле это всего лишь удобная расшифровка уже имевшегося названия. Основная работа над магнитными термоядерными реакторами происходила в Институте атомной энергии, который в 1950-е годы маскировался под скромным именем Лаборатории измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН). Этим занималось особое подразделение – Бюро электрических приборов (БЭП), для которого быстренько построили отдельный дом рядом со зданием Отдела электроаппаратуры, где под руководством Арцимовича занимались электромагнитным разделением радиоактивных изотопов. В феврале 1953 года там состоялся семинар, на котором обсуждали доклад о разработке магнитного термоядерного реактора, подготовленный техническими руководителями проекта Н.А. Явлинским и И.Н. Головиным. Именно в этом сообщении будущая установка впервые была названа токамаком. Головин тогда сказал, что это просто сокращение слов «тока максимум». Авторы доклада полагали, что сила тока в тороидальных разрядах намного превысит силу тока в прямолинейных трубках, отсюда и название аппарата. Со временем эта гипотеза была опровергнута, а вот термин «токамак» остался, и с конца 1950-х пошел гулять по миру.

Вот несколько вех истории этих установок. В 1954 году сотрудники БЭП приступили к испытаниям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала прообразом будущих токамаков. Следует отметить, что для расчета режимов ее работы под руководством Явлинского была создана одна из первых советских электронно-вычислительных машин ЦЭМ-1. В конце 1960-х на советском токамаке Т-3А была получена плазма с температурой электронов в 20 млн. градусов, а ионов – в 4 млн. и впервые зарегистрировано устойчивое термоядерное излучение плазменного шнура. Через 10 лет принстонский токамак RLT нагрел ионы в плазме примерно до восьмидесяти миллионов градусов. В 1995 году на другом американском токамаке TFTR температура ионов была доведена до 510 млн. градусов; позднее этот рекорд был превзойден на японском токамаке JT-10, который разогрел ионы до 520 млн. градусов. Эксперименты на этих машинах и на крупнейшем в мире европейском токамаке JET позволили нагреть, сжать и удержать дейтериево-тритиевую плазму до кондиций, которые всего в пять-шесть раз не дотянули до выполнения критерия Лоусона. Это огромный скачок, если учесть, что в начале семидесятых годов критерий Лоусона удавалось реализовать лишь на малые доли процента.

Установка ITER – воистину мегамашина: вес 19 000 т, внутренний радиус тороидальной камеры – 2 м, внешний – больше 6 м. Ее сооружение займет 10 лет, эксперименты начнутся не ранее 2015 года и продлятся пару десятков лет. По расчетам, на этой установке впервые удастся выполнить лоусоновский критерий для дейтериево-тритиевой плазмы и запустить в ней термоядерную реакцию. Хотя реактору потребуется постоянная внешняя энергоподпитка, он сможет стабильно генерировать в 5 раз больше тепловой энергии, чем будет истрачено на нагрев плазмы (а в пиковых режимах – даже и в 10 раз). ITER сможет развивать мощность в 500 МВт в циклах продолжительностью до 500 с (сравним: JET дает 16-мегаваттные «вспышки» длительностью менее 1 с).

Допустим, все пойдет по плану – что тогда? Этот вопрос «ПМ» задала одному из крупнейших специалистов по физике плазмы Роальду Сагдееву, действительному члену РАН и профессору физики Мэрилендского университета: «Решение о сооружении реактора вызывает у меня смешанные чувства. Этот проект много обещает физике, но, по-видимому, ничего не даст экономике. Более того, нет никаких гарантий, что ITER станет прототипом промышленных термоядерных реакторов, поскольку для этого могут понадобиться не токамаки, а совсем иные установки».

По словам Сагдеева, в первую очередь необходимо выстроить долговременную стратегию поиска нетрадиционных источников энергии. Наиболее реальный кандидат на эту роль – реакторы-размножители на быстрых нейтронах, но занимаются ими пока до обидного мало, нет ни единого крупного международного проекта. Не исключено, что ITER и его аналоги принесут основную пользу в качестве устройств, обезвреживающих бридерные «шлаки». Дело в том, что при работе реакторов-размножителей возникают долгоживущие радиоактивные элементы семейства актиноидов, от которых надо как-то избавляться. Эти отходы можно «сжигать» с помощью потоков быстрых нейтронов, возникающих в токамаках при синтезе гелия из дейтерия и трития.

При слиянии ядер легких элементов выделяется энергия. Это правило (с некоторыми исключениями) действительно вплоть до 26-го элемента таблицы Менделеева – железа. Синтез более тяжелых ядер происходит уже с поглощением энергии. Чтобы ядра смогли слиться, они должны приблизиться друг к другу на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра. Однако ядра обладают положительным зарядом и отталкиваются друг от друга по закону Кулона. Чтобы преодолеть это отталкивание, они должны иметь очень большую кинетическую энергию. Поэтому реакции ядерного синтеза требуют весьма высоких температур – от десятков до сотен миллионов градусов. В природе такие реакции прежде всего идут в недрах больших и малых светил и служат основным источником звездной энергии. Они также имеют место при взрывах сверхновых, в окрестности черных дыр и в прочих малопригодных для жизни условиях. Для осуществления таких реакций на Земле вещество надо сильно разогреть – ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, лазерными или микроволновыми импульсами либо бомбардировкой высокоэнергетичными частицами.

Взрыв – это водородная бомба, и невоенного применения он пока не имеет. А вот если осуществить слияние легких ядер в контролируемых условиях, да еще с положительным выходом энергии, то получится управляемый термоядерный синтез – великая мечта физиков и надежда человечества на обретение практически неисчерпаемого экологически чистого источника энергии. Свыше полувека для этой цели конструируют сложнейшие приборы, которые не только разогревают вещество до все более высоких кондиций, но и удерживают сверхгорячую плазму в безопасных пределах.

Отдадим дань памяти пионерам исследований управляемого термояда, упомянутым в этой статье. Олег Александрович Лаврентьев в 1950 году демобилизовался и поступил на физфак МГУ ( его соседом по общежитию был Роальд Сагдеев), сейчас он работает в Харьковском физико-техническом институте. Труды А.Д. Сахарова – достояние общечеловеческой истории. И.Е. Тамм в 1953 году стал академиком и Героем социалистического труда, пятью годами позже получил Нобелевскую премию и в 1971 году скончался от бокового амиотрофического склероза. В том же году в действительные члены АН был избран и Арцимович, который до самой смерти (1973) занимался термоядерным синтезом. Натану Ароновичу Явлинскому судьба отпустила всего полвека жизни – 28 июля 1962 года он вместе с женой и дочерью погиб в авиакатастрофе под Адлером. Игорь Николаевич Головин (1913–1997) в 50-е годы был первым заместителем Курчатова, до конца жизни работал в ИАЭ, где много сделал для развития экспериментальной базы исследований по программе управляемого термоядерного синтеза. Лайман Спитцер (1914–1997) выполнил целый ряд фундаментальных исследований по астрономии и астрофизике и внес огромный вклад в создание орбитальных обсерваторий. Его именем назвали орбитальный инфракрасный телескоп, который 25 августа 2003 года был выведен на траекторию земной орбиты вокруг Солнца.