В поисках бесконечной энергии

Нефть, уголь и газ — главные артефакты XX века, обеспечивающие человека энергией. Но их запасы ограничены, а влияние на природу не внушает оптимизма. Поэтому учёные всего мира ищут идеальный альтернативный источник — доступный и абсолютно безопасный.

По мнению физиков, его появление – лишь вопрос времени, ведь тайна Солнца почти раскрыта. Земное имя этой тайны — управляемый термоядерный синтез.

В основе явления термоядерного синтеза лежит принцип использования ядерных реакций слияния лёгких элементов с выделением энергии — так же, как это происходит на Солнце. Правда, температура в этом естественном реакторе достигает 15-20 млн °C, а на Земле учёным нужно достичь температуры в пять раз выше солнечной.

Самым подходящим топливом для получения энергии в промышленном масштабе считается дейтерий (D) и тритий (Т).

Для успешной термоядерной реакции смесь дейтерия и трития должна быть нагрета до 100 млн градусов. При этом газовая смесь превращается в полностью ионизированную плазму, состоящую из положительно заряженных ядер и электронов. При высокой температуре ядра дейтерия и трития разгоняются так, что преодолевают силы кулоновского отталкивания.

В 1950 году академики Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм, вдохновлённые идеей солдата-срочника Олега Лаврентьева, предложили использовать для удержания плазмы магнитное поле. Это событие определило будущее всего направления работы по «приручению» термоядерных реакций.

На финише мирового научного «марафона» — идеальный термоядерный реактор, который призван обеспечить человечество чистой энергией на тысячи лет вперёд, не представляя опасности для людей и планеты. При всей успешности расчётов выгодная термоядерная реакция пока скорее лабораторная удача, а не закономерность.

Существуют нерешённые задачи. Так, индуктор, который создаёт в токамаке электрический ток, не может работать бесконечно, а значит, время «жизни» плазмы в магнитной ловушке ограничено. Задача учёных — «зациклить» этот процесс, сделать его бесконечным, чтобы в итоге плазма сама продолжала «подогревать» себя с помощью выделяемой энергии.

Будущее термоядерного синтеза сейчас в буквальном смысле строится на юге Франции: недалеко от Марселя возводят самый большой в мире экспериментальный термоядерный реактор. В международном проекте под названием ИТЭР (ITER) задействованы специалисты из разных стран, в том числе из России.

О практическом применении термоядерных реакций в «мирных целях» ученые задумались еще в 1949 году, сразу после успешного испытания первой советской ядерной бомбы. Как писал в своих мемуарах А.Д. Сахаров, исследования поначалу велись «без каких-либо разумных конкретных идей», пока к академику И.Е. Тамму и его коллеге — будущему академику Сахарову не попало одно интересное письмо.

В докладной, перенаправленной Сахарову прямиком из ЦК ВКП(б), 24-летний сержант Олег Лаврентьев, служивший на Сахалине, предлагал свою схему термоядерного реактора. По его задумке, плазму можно было изолировать с помощью постоянного электростатического поля. Изучив записи Лаврентьева, Сахаров признал, что автор ставит «весьма важную и не являющуюся безнадёжной проблему». Предложенный метод не годился для практического применения, но именно тогда Сахаров понял, что сам принцип создания «ловушки» для плазмы – верный.

«Лаврентьев был абсолютным самородком, самоучкой, начальство его воинской части помогало ему с получением образования, выписывало нужную литературу по ядерной физике и поддержало в написании и отправке письма об этих исследованиях Сталину», —

А идея солдата-срочника стала основой для всех дальнейших разработок в области управляемого термоядерного синтеза. На Солнце удерживающую функцию выполняет гравитационное поле. А в лабораторных условиях, как выяснили Сахаров и Тамм, плазму следует удерживать магнитным полем, замкнутым внутри тороидальной обмотки. Вскоре ученые рассчитали необходимые параметры магнитных полей, при которых плазма не соприкасается со стенками камеры. На базе их вычислений была разработана первая программа создания тороидального магнитного термоядерного реактора, утвержденная Советом Министров СССР в 1951 году.

Идея объединить усилия принадлежала СССР. Инициатором и одним из идеологов международного проекта по освоению термоядерной энергии ITER стал академик Е.П. Велихов. В 1985 году на встрече в Женеве Михаил Горбачёв изложил предложение советских специалистов тогдашнему президенту США Рональду Рейгану.

Схема реактора ИТЭР в основном базируется на российских разработках токамаков (Т-10 и Т-15). В отличие от первых токамаков, реактор ИТЭР будет оборудован дивертором – устройством для очистки плазмы от «примесей». В числе других его особенностей –вытянутое по вертикали поперечное сечение плазмы и сверхпроводники для создания магнитных полей.

Соглашение о создании установки было подписано в 2006 году, тогда же началась подготовка к строительству. Страны-участники вносят посильный вклад в общее дело. Европейцы, например, предоставляют 50% объема финансирования проекта ИТЭР. На долю России приходится примерно 10% от общей суммы, которые будут инвестированы в форме высокотехнологичного оборудования. Так, недавно стало известно, что Россия разработала устройства для нагрева плазмы для международного термоядерного проекта.

«В России разработаны если не лучшие, то одни из лучших в мире гиротроны — устройства для нагрева плазмы. Такие устройства имеются только в России и Японии, и эти две страны уже готовы осуществлять штатные поставки этого оборудования в программу ИТЭР», —

По расчетам, температура внутри устройства будет около 150 млн °C. Глава одного из подразделений Международной организации ИТЭР Марио Мерола называет реактор «самой горячей штучкой нашей Солнечной системы». Проект предполагает, что первая плазма будет получена в 2025 году, а еще через несколько лет гигантский токамак будет производить 500 МВт термоядерной мощности из 1 г топлива.

Мировая история токамакостроения началась в России, а именно – в Курчатовском институте, где возникла идея создания установки тороидальной конструкции. Прообразом первого в мире токамака стала установка с сильным магнитным полем ТМП, созданная здесь в 1954 году. Сам первый токамак –Т-1 – был построен через три года.

Сенсацией в научном сообществе стала международная конференция МАГАТЭ, прошедшая в 1968 году в Новосибирске. На ней были представлены результаты исследований, полученные на токамаке Т-3А: рекордные по тем временам параметры температуры электронов (более 10 млн °C) и время удержания плазмы. Эти успехи вызвали «токамакоманию» во всем мире. В течение нескольких лет в мире было построено более 10 установок разных геометрических размеров и плазмофизических параметров. А лидерство российской установки стало неоспоримым среди термоядерных систем с магнитным удержанием плазмы.

В 1975 году в Курчатовском институте построили токамак Т-10, самый крупный в мире на тот момент. Он успешно работает до сих пор. Отличительной чертой установки является мощный нагрев электронной компоненты плазмы с помощью сверхвысокочастотных электромагнитных волн. В нашей стране были изобретены специальные приборы – гиротроны, с помощью которых и удалось достичь температуры плазмы на уровне 100 млн °C. Это тоже стало мировым рекордом.

В 1979 году был построен Т-7 – первый токамак со сверхпроводящей тороидальной магнитной системой, на котором применялась система так называемого неиндукционного поддержания тока. А в 1988 году учёные запустили сверхпроводящий токамак Т-15 – уже на новом передовом сверхпроводнике ниобий-олово. Полученные на установке Т-15 результаты стали основой для реализации проекта международного термоядерного реактора ITER.

Крупнейший ныне действующий токамак JET находится в Абингдоне (Великобритания), где работают 350 ученых-физиков со всей Европы и из других стран мира. Британскому токамаку принадлежит рекорд 1997 года — 16 мегаватт энергии. А еще его называют «маленьким ИТЭРом», поскольку многие наработки JET будут применены в строящемся гигантском токамаке.

Китайский EAST был создан на основе первого в мире сверхпроводящего токамака Т-7, построенного в Курчатовском институте. С 2006 года он регулярно демонстрирует рекорды по стабилизации и температуре плазмы. Один из последних рекордов – плазменный разряд длительностью 102 секунды.

Корейский токамак KSTAR был создан в 2008 году в Национальном Центре по термоядерным исследованиям (в настоящее время Национальный институт термоядерных исследований), конструктивно представляет собой токамак с D-образным сечением и нижним дивертором. Один из последних серьезных результатов, полученных на токамаке KSTAR - поддержание неиндукционного тока разряда в течение 105 секунд.

Ток внутри плазмы создает свое магнитное поле – оно называется полоидальным. Дополнительно камера окружена сверхпроводящими магнитами, которые формируют тороидальное магнитное поле. Комбинация двух видов магнитных полей удерживает раскаленную плазму внутри камеры.

Для получения термоядерной энергии плазму нужно нагреть до 100 млн °C и удержать её в горячем состоянии как минимум одну секунду. Первичный нагрев (до 20–25 млн °C) осуществляет тот самый продольный ток в плазме. А остальная температура – дело устройств дополнительного нагрева, часть которых действует по принципу большой микроволновки.

Один из них — это инерциальный (лазерный) термоядерный синтез. Его суть состоит в том, что нагретой плазме не дает разлетаться инерция ее частиц, обладающих массой. В течение нескольких наносекунд нагретая плазма может удерживаться таким образом, но для этого ее плотность должна в 100 раз превосходить плотность твердого тела. По сути, этот способ является противоположностью «магнитному». Вместо очень разреженной, но долго удерживаемой магнитным полем плазмы создается очень плотная и короткоживущая. На практике дейтериево-тритиевые мишени размером около 1 мм нагревают мощными лазерными пучками. Главный недостаток такого метода — слабое поглощение лазерного излучения горячей плазмой: чем выше ее температура, тем меньше она «замечает» лазерный луч, проходящий через нее, а значит, КПД лазера получается ниже требуемого. Некоторые ученые предлагают нагревать дейтерий и тритий не лазером, а рентгеном. Мишень окружают вольфрамовые проволоки, которые при сдавливании электрическим разрядом испаряются, создавая мощный рентгеновский импульс.

Еще одна альтернатива «магнитной ловушке» — пучковый термоядерный (электронный, протонный, ионный) синтез. Его преимуществами является высокий КПД (особенно для электронных пучков), сильное взаимодействие с мишенью (для протонов и ионов), огромная концентрация энергии при сбросе на мишень тяжелых ионов, хорошо изученная методика разводки пучков. Но недостатки перевешивают: электростатическое отталкивание одноименно заряженных частиц, трудность фокусировки пучка, сложность одновременного сброса на мишень многих пучков. Пока пучковый термояд отстает и от магнитного, и от лазерного, но эксперименты продолжаются.

Третье альтернативное направление — так называемая взрывная дейтериевая энергетика. С 1990-х годов в Российском федеральном ядерном центре ВНИИТФ (г. Снежинск) разрабатывается метод получения термоядерной энергии путем взрывов атомных зарядов, инициирующих d–d-реакцию. Огромная установка размещается под землей в скальном грунте: в ней предлагается производить термоядерные взрывы большой мощности. Плюс этого метода в том, что накопленного оружейного плутония хватит на тысячу лет вперед. А минусы сопутствующие — высокая радиоактивность продуктов и опасность катастроф.

«Возгласами приветствий был встречен советский ученый-атомщик, который носит изумительную черную бороду длиною в 10 дюймов, спускающуюся вниз на грудь», – заметку с такими интригующими вводными передал на выпуск лондонский корреспондент агентства United Press 19 апреля 1956 года.

Курчатова в Англии ждали c интересом – насколько интересен мог быть визит главного физика-ядерщика Советского Союза в разгар «холодной войны». Но никто из репортеров и предположить не мог, какой фурор произведет его выступление в Британском ядерном центре в Харуэлле.

Доклад советского академика был посвящен текущему состоянию атомной энергетики в СССР. Курчатов подробно рассказывал о советских реакторах разных типов, о ходе экспериментов, о последних открытиях физиков и их надеждах. По мере того, как росло удивление присутствующих, Игорь Курчатов раскрывал все больше и больше научных данных, которые во всех в странах-участниках конференции было принято держать в тайне.

Курчатов объяснил, как советские ученые экспериментировали с газообразным дейтерием, какая температура должна быть достигнута при термоядерной реакции и как действует способ магнитного удержания плазмы, а также сообщил, что советским ученым удалось довести температуру плазменного шнура до миллиона градусов – рекордной для того времени. Доклад советского ученого вызвал бешеную овацию и шквал вопросов, которые ранее могли быть задаваться только в секретных лабораториях.

«Доктор И. Курчатов, глава советской атомной промышленности …, вчера вызвал сенсацию в Харуэлле, указав, что СССР значительно опережает Великобританию – а возможно, и Америку – в борьбе за использование энергии водородной бомбы в промышленных целях. <…> Представители Харуэлла, чьи эксперименты все еще являются секретными, предполагали, что доктор Курчатов намерен «выкачивать» из них информацию. А вместо этого он рассказал им, что они должны делать», —

Конечно, рассекретив открытия советских ученых, Курчатов действовал с разрешения партии. В Союзе первыми поняли, что такие масштабные, дорогие и сложные исследования – это задача не одной страны, а умов всего мира. Открытость и обмен опытом могли бы помочь делу двигаться быстрее. Кроме того, выступление в Харуэлле, по мнению американских источников, стало «поворотным пунктом» в переговорах по разоружению (но, к сожалению, не решающим, как выяснилось впоследствии).

Вернувшись на родину, Курчатов выступил на митинге, где поблагодарил правительство за «благородную инициативу» снять секретность с этих работ. Не в силах предположить, что гонка ядерного вооружения растянется еще на долгие годы вперед, Курчатов писал:

«Наше правительство явилось инициатором по объединению усилий ученых всех стран в работах по мирному использованию термоядерных реакций <…>. Я рад, что глава правительства Соединенных Штатов Америки также призывает к объединению усилий ученых всего мира на решение этой величественной задачи. Было бы очень хорошо, если бы руководители государств на предстоящей встрече на самом высоком уровне приняли бы предложение СССР о запрещении использования атомного и водородного оружия. Это явилось бы большим стимулом для ученых всех стран мира работать только над мирным использованием могучих сил природы».

Самая важная характеристика токамака — его безопасность. По словам учёных, управляемый термоядерный синтез физически не способен привести к трагическим последствиям. В отличие от реактора АЭС, в токамаке невозможен резкий подъем температуры (скорее, наоборот — её постоянно приходится увеличивать практически вручную). Газовая смесь превращается в плазму при определённых условиях: нет температуры — нет и реакции.