Термоядерная энергия – альтернатива существующей энергетике

Сегодня большой интерес в мире вызывает уникальный международный проект ИТЭР, направленный на строительство первого международного экспериментального термоядерного реактора, крупнейшего в мире токамака (ТОроидальная, КАмера, МАгнитные Катушки). Целью проекта является демонстрация технологической возможности использования термоядерной энергии в промышленных масштабах. Первоначально название ITER было образовано как аббревиатура от английского названия International Thermonuclear Experimental Reactor (международный термоядерный экспериментальный реактор). В настоящее время оно официально не считается сокращением, а связывается с латинским словом iter, которое можно перевести как «путь». Сам проект уникален тем, что в нем ярко выражено сотрудничество всех наиболее развитых стран, а также Мексики и Бразилии. Для проекта стоимостью 10 млрд. евро создана организация, в состав которой входят более 500 профессионалов, руководящая строительством, начатым на юге Франции в Провансе.

Так как же это все начиналось?

В центре Солнца из ядер обычного водорода сначала образуется его тяжелый изотоп дейтерий, из которого в ходе серии дальнейших реакций рождается гелий. Масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых оно образовалось. По формуле Эйнштейна Е = mc2 эта разница в массе превращается в энергию. Вот эту энергию мы и получаем от Солнца в виде света и тепла.

Но процесс синтеза идет очень медленно. Особенно первый его этап, когда два ядра водорода сливаются в ядро дейтерия. Характерное время этой реакции исчисляется миллиардами лет. Поэтому удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца, как ни странно, совсем невелика – около 200 Вт/м3. Примерно в таком же темпе выделяется энергия в теле человека. Лишь за счет гигантских размеров солнечный термоядерный реактор производит поток энергии, достаточный для поддержания жизни на нашей планете.

Для земной энергетики недостаточно мощности в 200 Вт/м3. К счастью, можно обойтись без самой медленной реакции — синтеза дейтерия, поскольку он существует на Земле в готовом виде. По одному его ядру приходится на 6700 ядер водорода. В каждом кубометре воды содержится 110 кг водорода и 33 г дейтерия. Казалось бы, немного, но если этот дейтерий сжечь в термоядерных реакциях, выделится столько же энергии, как при сгорании 200 т бензина, так что запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и неисчерпаемы.

Все началось более 70 лет назад с предположения, что можно сжигать изотопы водорода, получать гелий и соответствующие элементы. Энергия получается большая. На выходе – дешевые нейтроны. Идея хорошая, но требуется гигантская «солнечная» температура в 150 млн. градусов. И как удержать продукты горения при этой температуре? Сегодня мы умеем это делать, но в конце 20-х годов…

Сама идея возникла в 1928 году, когда аспирант Игорь Тамм был послан в Германию, чтобы закончить диссертацию. Приехав и оглядевшись, он сделал вывод, что ему тут делать нечего: все были заняты созданием современной квантовой механики. Случайно в научном журнале он нашел задачу, связанную с альфа-распадом. Там была обоснована идея, каким образом может вылететь альфа-частица из ядра, если там есть барьер, и высказано предположение, как два электрона, словно два катера, которые буксируют корабль из гавани, вытаскивают альфа-частицу из ядра. Это очень не понравилось Тамму, и, поскольку он немного знал квантовую идею туннельного эффекта, он сразу написал свою знаменитую работу, с которой началась квантовая ядерная физика. Его идею поддержали физики Бор и Резерфорд. Были созданы ускорители, и начались экспериментальные исследования реакции протонов, ускоренных на литии. Подобные исследования проводились и в России: на стыке 20-х и 30-х годов этим занимался Игорь Васильевич Курчатов в Ленинграде.

В 1929 году И. Е. Тамм опубликовал первое издание своего учебника «Основы теории электричества». В этой книге он описал теорию магнитного поля, которая заключается в том, что магнитное поле отличается от электрического. У электрического поля силовые линии уходят в бесконечность или кончаются зарядом. А в магнитном поле они могут занимать замкнутое пространство внутри некого объема. Если это замкнутое пространство, то они могут его практически все заполнить. При определенной симметрии получаются ложные поверхности, из которых, собственно говоря, родилась идея магнитных ловушек. В своем издании он нарисовал «магнитную ловушку» – вложенные друг в друга тороидальные магнитные поверхности, которые получаются, когда течет ток. Если посмотреть на картинку, которая есть в первом издании, то это практически точное изображение токамака.

В 1934 году Георгий Гамов высказал мысль, что протекающие при высокой температуре ядерные реакции могут быть источником энергии, способным в течение миллиардов лет поддерживать звезды в горячем состоянии. Детальную теорию ядерных реакций в звездах развил Ханс Бете в 1938 году. В этих реакциях из ядер водорода синтезируются более сложные ядра других элементов — гелия, лития, бора, углерода. А поскольку их образование происходит при высокой температуре, эти реакции с тех пор называют термоядерным синтезом.

Гамов, с целью объяснения вероятности проникновения альфа-частиц через барьеры, описал альфа-распад и обратные реакции, в которых заряженные частицы проникают в ядро. Он сразу же заинтересовался термоядерным синтезом. Параллельно с Гамовым в 1951 году аспирант Андрей Сахаров рассчитал плазменную и термоядерную часть, а Тамм выдвинул идею замкнутых магнитных ловушек. Вот это как раз и был токамак.

Для термоядерной реакции, с одной стороны, нужны температура и «база», а с другой – вложенные друг в друга магнитные поверхности, которые образуют термоизоляцию этой «базы» в 150 млн. градусов. Конечно, идея токамака тогда не возникла, хотя Тамм задумывался над этим. Потом началась война, и идея, которую он обсуждал с Бухариным, Сахаровым, о том, чтобы сделать термоядерную реакцию на Земле, исчезла. Впоследствии о ней вспомнили, но она стала секретной.

Вначале хотели сделать установку для получения плутония, потому что в термоядерной реакции много нейтронов, которые выгоднее всего использовать для преобразования урана в плутоний. Это была первая идея получения ядерного топлива. Позднее плутоний стали получать в обычных реакторах и постепенно поняли, что военным эти исследования не нужны, и в 1956 году эту технологию рассекретили.

Началась история токамака. Он из себя представляет трансформатор, внутри которого один плазменный виток, по которому течет ток. Были и другие схожие идеи. Американцы начали развивать идею стелларатора. Стелларатор, как и токамак, – это магнитная ловушка с замкнутыми магнитными поверхностями, но, в отличие от токамака, полоидальное магнитное поле, образующее магнитные поверхности, создается в стеллараторе с помощью внешних витков, а не током, протекающим по плазме. Эта магнитная ловушка была изобретена в Принстонской лаборатории в США Л. Спитцером. Там же были построены и первые экспериментальные стеллараторы. Стелларатор имеет большое преимущество перед токамаком – это стационарная машина, которая не требует сложных методов поддержания плазменного тока для ее стационарной работы. В то же время, в отличие от токамака, стелларатор – это принципиально аксиально-несимметричная ловушка с магнитной осью, представляющей собой трехмерную кривую, и переменным, в тороидальном направлении, сечением плазмы.

Тогда мощная программа по созданию термоядерного реактора на основе стеллараторов не была воплощена, так как они не смогли получить «базу». В тот период началась длинная дискуссия по поводу узкой диффузии, о том, что эксперименты надо делать на простых установках, об универсальной неустойчивости. Эта дискуссия продолжалась до тех пор, пока группа ученых во главе с Натаном Наумовичем Явлинским не начала трудиться над созданием токамака. В группу вошли 44 человека, которые и до сегодняшнего дня являются главной командой в России.

С тех пор как в Курчатовском институте был создан первый токамак, он стал очень популярным. Сейчас на планете более ста токамаков. Американцы быстро сориентировались и построили программу, по которой были должны в 2000 году создать в США первую демонстрационную термоядерную электростанцию. Был принят закон, выделялись деньги, но в связи со сменой власти финансирование прекратилось, так как правительство посчитало, что нет необходимости в демонстрационной станции, а частный бизнес тоже не был готов к финансированию. Вся эта огромная программа закрылась, несмотря на вложенные средства (900 млн. долларов в год).

После того как программу закрыли, американцы согласились участвовать в программе по созданию международного термоядерного реактора. Началась эра ИТЭР.

В 1975 году был составлен план развития, в 1978 году договорились о совместном проектировании. Международное агентство по атомной энергии согласилось с тем, чтобы начать проект, который назвали ИНТОР.

В связи с тем что началась война в Афганистане и был недостаток экспериментальной, физической базы для того, чтобы сразу проектировать по-настоящему термоядерный реактор, проект ИНТОР, объединивший ученых США, Европы, Японии, России, создавший термоядерное сообщество, не привел к созданию реактора. Так продолжалось до тех пор, пока к руководству страной не пришел М. С. Горбачев. Он предложил руководителям других стран превратить проект ИНТОР в реальный проект, в термоядерный реактор. В то время Япония и США очень активно готовили проект развития термоядерной энергетики на базе объединения их собственных усилий, без участия Советского Союза. Но у них не получилось. Советский Союз явился катализатором, который снял существующие между ними барьеры. Идею Горбачева поддержали Жак Ширак и Рональд Рейган. Этот проект был принят в ноябре 1985 года и получил название ITER.

Сперва был сделан проект эскизов, для чего был приглашен японец Гельмут Тавогачи, который проектировал реактор на быстрых нейтронах. Проект эскизов делали в Европе. Все понимали, что надо переходить к следующему этапу – рабочему проектированию, но здесь возникли первые трудности. Все участники, кроме Советского Союза, сказали: «Мы за, но проектирование будет происходить у нас». Об этом заявили Европа, Америка и Япония и не шли на компромисс. Наступил первый кризис, пришлось долго договариваться. Была проделана большая работа в каждой стране.

Директор института физики плазмы Декау предложил распределить проектирование между всеми участниками проекта. Интернета тогда не было, поэтому все это было похоже на большую авантюру: связать всех участников электронным образом. Было решено, что базовый центр по проектированию и интеграции будет находиться в Сан-Диего в США, центр по внешней части – в Японии, центр по внутренней части токамака – в Гашенге в Германии, инженерный советский центр был в Москве. Все шло неплохо, хотя не без проблем. Московским центром управлял европейский директор, который так и не смог объединить людей. Его сменил Айвар, который довел этот проект до конца.

В начале 90-х годов в Америке пришли к власти демократы. Председатель комиссии по науке объявил, что он будет поддерживать только те проекты, в которых доминировали США, и они вышли из проекта. С приходом старшего Буша политика вновь поменялась, и американцы опять решили заняться термоядерной энергетикой. Было принято решение войти обратно в ITER. Начался современный этап проекта, на все работы были потрачено около 2 млрд. долларов. Проект до сегодняшнего дня работает на программном обеспечении КАТИА. Эта программа была разработана во Франции и используется во всех сложных проектах. Это не только автоматизированное проектирование, но и шестимерное проектирование бизнес-планов.

В проекте ITER нет разделения на страны, национальность не играет никакой роли, сотрудники проекта – члены одной команды.

Что сейчас происходит?

Сейчас идет строительство, площадка для него уже подготовлена. Заключено более 80% контрактов на поставку оборудования. В ноябре 2019 года планируется получить первую «базу», в 2026 году – зажечь термоядерную реакцию. Вы можете сказать: «2026 год? Это кошмарный срок!» В энергетике это нормальное явление. Например, патент на «быстрый реактор» был получен в 1946 году, но до сих пор его нет. И сейчас непонятно, что быстрее заработает: «быстрый реактор» или ITER.

Проект ITER будет завершен. За это время, до 2026 года, несколько раз поменяется команда, а потом двадцать лет реактор будет эксплуатироваться. Важно подготовить кадры, а это не простая задача: необходимо тесное взаимодействие с ведущими институтами. К сожалению, в настоящее время российских специалистов, занятых в проекте, меньше, чем специалистов других стран. Ближайшая смена кадров произойдет в 2012 году.

Нехорошо заставлять весь мир ждать 2026 года, пока будет получена мощная термоядерная реакция. До 2026 года все забудут про ITER, и будет сложно убедить в его необходимости. Чтобы этого не произошло, нужно постоянно привлекать внимание общественности, показывать успехи. Например, в России будет построен целый ряд реактор, которые позволят реализовать идею, что термоядерные нейтроны можно использовать для замыкания топливного цикла в атомной энергетике. Новейший токамак «ТМ» недавно был построен в Казахстане. Он является первым реактором, предложенным для материалогических исследований, поскольку они определяют всю экономику токамака. Знания, которые черпаются из атомной энергетики, показывают, что если специально не влиять на материал, то он распухает, изменяет свои геометрические размеры. К этому приспособить термоядерный реактор очень трудно. Поэтому материаловедение – это одна из самых важных проблем в термоядерной и атомной энергетике. На месте первого токамака в ближайшее время начнется строительство совершенно нового для научных исследований и продвижения гибридных реакторов.

Итальянец Бруном Путри предложил схему инновационного токамака, очень рискованного, в котором нет дополнительных нагревов, высокого давления, больших полей. Итальянцы за свои деньги, по своему проекту полностью создадут этот термоядерный токамак в Троицке, где все специально подготовлено для термоядерных реакторов с сильным полем, потому что это требует огромного энергопитания, кроме того, речь идет об экспериментах с тритием. Он не такой большой, как те, которые строятся сейчас, и может уместиться в комнате.

Европейцы рассчитывают до конца построить свой СВОРАТУМ. Новые токамаки создаются в Японии, Корее. Китайцы построили хороший классический токамак. У них хорошо работает российский реактор Т-7.

Термоядерный синтез – это энергетика будущего. Реализация проекта ITER – это первый шаг в это будущее. И мы его уже делаем.

По материалам открытой лекции академика Е. Велихова в МИФИ записал

Алексей Кармызов.

Евгений Велихов, академик РАН, лауреат международной премии «Глобальная энергия», президент Российского научного центра «Курчатовский институт», председатель Совета ITER.

Для справки

Дейтерий
На 7000 атомов водорода, входящих в простую воду, приходится один атом его тяжелого изотопа – дейтерия. Если два атома дейтерия сблизить почти вплотную, произойдет слияние их ядер – синтез. В итоге примерно с равной вероятностью возникнут: ядро трития Т плюс протон либо ядро легкого изотопа гелия 3Не плюс нейтрон и плюс энергия как результат синтеза.

Тритий
Слабо радиоактивное вещество, распадающееся с характерным временем 12,4 года, а потому отсутствующее в природе. Обычно его получают в атомных реакторах, облучая нейтронами изотоп лития – 6Li. Лития в природе много, а нейтроны – один из продуктов и DD- и DT- синтеза.

Всего в мире было построено около 300 токамаков. Ниже перечислены наиболее крупные из них.
СССР и Россия
Т-3 – первый функциональный аппарат.
Т-4 – увеличенный вариант Т-3.
Т-7 – уникальная установка, в которой впервые в мире реализована относительно крупная магнитная система со сверхпроводящим соленоидом на базе ниобата олова, охлаждаемого жидким гелием.
Т-10 и PLT – следующий шаг в мировых термоядерных исследованиях: на обоих реакторах достигнута заветная температура термоядерного синтеза, а отставание по критерию Лоусона – всего в двести раз.
Т-15 – реактор сегодняшнего дня со сверхпроводящим соленоидом, дающим поле напряженностью 3,6 Тл.
Европа и Великобритания
JET – самый крупный в мире действующий токамак, созданный организацией Евратом в Великобритании. В нем использован комбинированный нагрев: 20 МВт – нейтральная инжекция, 32 МВт – ионно-циклотронный резонанс. В итоге критерий Лоусона лишь в 4–5 раз ниже уровня зажигания.
Tore Supra – токамак со сверхпроводящими катушками, один из крупнейших в мире. Находится в исследовательском центре Кадараш (Франция).
США
TFTR – крупнейший токамак США (в Принстонском университете) с дополнительным нагревом быстрыми нейтральными частицами. Достигнут высокий результат: критерий Лоусона при истинно термоядерной температуре всего в 5,5 раза ниже порога зажигания. Закрыт в 1997 году.
NSTX – сферический токамак, работающий в Принстонском университете. Первая плазма в реакторе получена в 1999 году, через два года после закрытия TFTR.
Alcator C-Mod – один из трех крупнейших токамаков в США, характеризуется самым высоким магнитным полем и давлением плазмы в мире. Работает с 1993 года.
DIII-D – токамак США, созданный и работающий в компании General Atomic в Сан-Диего.
Япония
JT-60 – крупнейший японский токамак, работающий в Японском институте ядерных исследований с 1985 года.
Китай
EAST – экспериментальный усовершенствованный сверхпроводимый токамак. Является глубокой модернизацией российского токамака HT-7. Работает в рамках международного проекта ITER. Первые успешные испытания были проведены летом 2006 года. Принадлежит Институту физики плазмы Китайской академии наук. Расположен в городе Хэфэй провинции Аньхуй. На этом реакторе в 2007 году был проведен первый в мире «безубыточный» термоядерный синтез с точки зрения соотношения затраченной/полученной энергии. На данный момент это соотношение составляет 1:1,25. В ближайшем будущем планируется довести это соотношение до 1:50.

По материаласайта http://dom-en.ru

Cобравшиеся в свое время 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.

Путь длиною в 20 лет

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. Но, американцы, верны себе. Объявив санкции России, они заблокировали встречу специалистов проекта ITER в Санкт-Петербурге. Но отказаться от участия российских ученых в проекте не возможно. Вполне вероятно, что в скором времени к проекту 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.

Немного физики

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.

Блеф и реальность

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.

История Токамака

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.

Мегамашина

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.

Эйнштейн утверждал, что наука – драма идей. Но не следует забывать, что эту драму разыгрывает актерский состав, в который включены и отдельные личности, и научные коллективы, и даже целые государства. История проекта ITER – неплохое тому подтверждение.