Как-то руководителя английской термоядерной программы, лауреата Нобелевской премии Джона Кокрофта, спросили, когда термоядерный реактор даст промышленный ток, тот ответил: "Через двадцать лет". Этот же вопрос ему задали через семь лет. Ответ был прежним: "Через двадцать лет". Дотошные журналисты припомнили Кокрофту слова семилетней давности, но невозмутимый англичанин отрезал: "Вы видите, я не меняю своей точки зрения".
Этот анекдот, рассказанный академиком РАН Виталием Гинзбургом пару лет назад, припомнился на состоявшихся на прошлой неделе в Москве в Академии наук Днях ИТЭР (ИТЭР - международный термоядерный экспериментальный реактор). Там руководитель проекта по его созданию академик Евгений Велихов высказал предположение, что промышленное применение термоядерные реакторы получат к 2030 году. В 70-х годах прошлого столетия он же полагал, что действующий образец будет построен к сегодняшнему дню.
Мечты
Идею, которая десятилетия беспокоит умы ученых мужей, подсказало им светило. На Солнце уже 5 млрд лет происходит "неуправляемый" термоядерный синтез - из тяжелого изотопа водорода дейтерия образуется гелий. При этом выделяется колоссальное количество энергии.
На Земле дейтерия тоже много, его содержит каждая семитысячная молекулы воды. Причем вещество это можно получить недорогим способом, при электролизе воды. Резонно предположить, что, если б можно было заставить дейтерий вступить в управляемую термоядерную реакцию, появился бы практически неиссякаемый источник энергии, запасы топлива для производства которой огромны. Энергия, которую можно было бы получить из дейтерия, находящегося всего лишь в стакане воды, сопоставима с теплом, выделяемым при сгорании 200 литров бензина.
В земных установках управляемого термоядерного синтеза (УТС) исследователи предполагают использовать вместе с дейтерием еще и тритий (также тяжелый изотоп водорода), так как при их слиянии образование гелия происходит с максимальным выделением энергии: ее почти в двадцать раз больше, чем той, что вырабатывается при делении атома урана. В природе трития нет, но его можно получить, поместив литий в активную зону термоядерной установки и облучив его образующимися при реакции синтеза нейтронами. По расчетам, доступных для этих целей запасов лития человечеству хватит на 70 тысяч лет. Тритий уже сейчас вырабатывается при эксплуатации современных атомных тяжеловодных тепловых реакторов и считается отходом производства. В мире его скопилось довольно много. Недаром канадцы предлагают построить ИТЭР в районе Торонто, на площадке АЭС "Дарлингтон", где находится крупнейшее в мире хранилище трития.
Однако, как же сделать лакомый термоядерный процесс управляемым? С неконтролируемым ученые вполне уже справились, создав в начале 50-х годов прошлого столетия водородную бомбу. С этой бомбой проблем меньше, чем с реактором. Взорвали - и по домам. А энергетики так не могут. Им бы надо поддерживать термоядерную реакцию в течение некоторого времени, следить за ней и передавать выделяемую энергию на специальную установку. Как? Ведь это ж взрыв, создающий чудовищные температуры. Реакция потому и называется термоядерной, что возможна лишь при таких энергиях, которые позволяют атомным ядрам преодолеть кулоновские силы электрического отталкивания и сблизиться настолько, чтобы начали действовать ядерные силы притяжения. При таких температурах электроны отрываются от ядер, и вещество переходит в состояние плазмы.
В 1957 году американский физик Дж. Лоусон вывел критерий, определяющий условия, при которых возможен положительный энергобаланс термоядерной реакции, то есть когда общий выход энергии превышает энергозатраты на нагрев плазмы. Для этого необходимо достичь температуры вещества свыше 100 млн градусов и его плотности, выраженной числом 1014-1015 ионов в куб. см.
На войне для того, чтобы взорвать водородную бомбу, требуется сначала подорвать в ней атомный заряд. В мирных же условиях есть только два основных способа. В УТС с магнитной термоизоляцией (токамаках, стеллараторах и некоторых других установках) высокотемпературную плазму пытаются сжать и удержать от соприкосновения с деталями реактора сильным магнитным полем. В УТС, использующих принцип инерционного термоядерного синтеза, стараются получить положительную энергию, устраивая миниатюрные водородные взрывы, сжигая лазерным лучом или пучком заряженных частиц капсулы со смесью дейтерия и трития.
Удержание плазмы
Идея УТС с магнитной термоизоляцией появились раньше инерционных систем. Обычно ее приписывают академикам Андрею Сахарову и Игорю Тамму, работавшим в начале 50-х над созданием водородной бомбы. Но, по воспоминаниям самого Сахарова, "толчком, способствующим ускорению работы по этой теме, послужило ознакомление с работой Лаврентьева". В 1948 году Олег Лаврентьев, сержант одной из частей, расположенных на Сахалине, отправил письмо Сталину с единственной фразой: "Я знаю секрет водородной бомбы". Тогда в СССР еще не было даже атомный бомбы, идея же водородной, по воспоминаниям Сахарова, имела "совсем смутные очертания". Первое письмо в секретариате вождя оставили без внимания, а после второго в часть, где служил молодой сержант, прислали полковника НКВД, который, проверив адекватность автора, увез его в Москву к Берии.
В 1950 году Лаврентьев сформулировал принцип термоизоляции плазмы электростатическим полем "с целью промышленной утилизации термоядерных реакций". Отцы российской водородной бомбы идею изобретателя с семиклассным образованием, правда, забраковали и предложили удерживать плазму электромагнитным полем. В 1950 году Сахаров и Тамм провели расчеты и детальные исследования и предложили схему магнитного термоядерного реактора. Такое устройство представляет по сути полый бублик (или тор), на который намотан проводник, образующий магнитное поле. (Отсюда и его название - тороидальная камера с магнитной катушкой, в сокращенном виде - токамак, - стало широко известно не только в среде физиков).
Чтобы разогреть в этом устройстве плазму до нужных температур, с помощью магнитного поля возбуждается электрический ток, сила которого достигает 20 млн ампер. Стоит напомнить, что современные материалы, созданные человеком, имеют дело максимум с 6 тыс. градусов по Цельсию (например, в ракетной технике) и после разового использования годятся разве что в утиль. При 100 млн градусов испарится любой материал, поэтому удерживать плазму в вакууме внутри "бублика" должно магнитное поле очень высокой напряженности. Поле не дает заряженным частицам вылетать за пределы "плазменного шнура" (плазма находится в токамаке в сжатом и перекрученном виде и похожа на шнур), зато образующиеся во время реакции синтеза нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию внутренним стенкам установки (бланкету), которые охлаждаются водой. Получающийся в результате пар можно направить на турбину, как и в обычных электростанциях.
В начале 50-х сходные мысли по обузданию термоядерной реакции возникли и у Лаймана Спитцера, американского астронома и физика, работавшего в Принстонской лаборатории. Он предложил несколько иной способ магнитного удержания плазмы в устройстве, названном "стелларатор". В нем плазма удерживается магнитными полями, созданными только внешними проводниками, в отличие от токамака, где весомый вклад в создание конфигурации поля привносит ток, текущий по самой плазме.
В 1954 году в Институте атомной энергии был построен первый токамак. Денег на воплощение идеи сначала не жалели: военные видели в таком реакторе источник нейтронов для обогащения ядерных материалов и производства трития. Вначале даже Сахаров полагал, что до практического получения энергии на таких установках осталось десять-пятнадцать лет. Первыми неясность перспектив с использованием управляемого термоядерного синтеза поняли военные, и когда в 1956 году академик Игорь Курчатов попросил Хрущева рассекретить эту тему, они возражать не стали. Тогда-то мы узнали о стеллараторах, а американцы - о токамаках.
Исследования по УТС активизировались во всем мире. В их ходе все новые сюрпризы стала преподносить плазма: так, выяснилось, что в замкнутых магнитных системах классическая теория столкновений частиц плазмы, на которую тогда опирались ученые, не работает. Группой академика Льва Арцимовича, определившего выбор токамака как основного полигона термоядерных исследований в СССР, были открыты многие типы плазменных неустойчивостей, описание которых в основном завершилось к 70-м годам. Под его руководством в 1965 году советские физики Роальд Сагдеев, Альберт Галеев и Лев Коврижных создали новую теорию, воплощением которой явилось новое поколение токамаков. В УТС Т-3 была достигнута фантастическая для того времени температура плазмы - 7 млн градусов. Когда в 1969 году Арцимович объявил об этом, американцы и англичане ему не поверили. Через год они приехали для проведения замеров, но им уже пришлось иметь дело с устройством Т-4, в котором плазма разогревалась до 10 млн градусов.
Это настолько поразило заграничных ученых, что советским коллегам пришлось уговаривать их не отказываться совсем от их собственных технических идей. Но те все-таки в течение года свернули почти все программы исследований на стеллараторах. Со временем, когда токамаковский проект стал пробуксовывать, к стеллараторам, правда, вернулись, и сейчас такие установки испытывают в Германии, России и Японии.
Еще более высокие температуры были достигнуты на новых поколениях токамаков. Но получить на выходе энергии больше, чем затрачивается на "разгонку" и поддержание процесса реакции, так и не удалось. И это при том, что установки становились все дороже и дороже. Пытаясь получить положительную энергию, ученые продлевали время удержания плазмы: или увеличением ее объема, или усилением напряженности магнитного поля. Если в установке Т-3 радиус плазменного шнура составлял 1 м, в ИТЭРе хотят достичь показателя в 6,2 м (диаметры торов соответственно 2 и 20 м). Существенное увеличение размеров реактора и усложнение всей конструкции установки и систем безопасности и привело к тому, что все существующие сейчас УТС стоят сотни миллионов долларов.
Мини-бомба
Трудности, связанные с магнитным удержанием плазмы, пытались обойти. Ученые (из них в России наиболее известны фиановцы Николай Басов и Олег Крохин) разрабатывали инерционные системы. В инерционных УТС мудреных систем разогрева и удержания плазмы нет. Но исследователи столкнулись со сложностями другого характера. Водородную смесь необходимо было "сжимать" импульсами мощных лазеров (или интенсивными потоками заряженных частиц) в течение очень короткого промежутка времени. В этот период инерциональные силы не дают горючему разлететься из активной зоны. При выполнении этих условий пятимиллиметровая капсула-мишень сжимается в десять тысяч раз и нагревается примерно до 120 млн градусов, результатом чего становится взрывная термоядерная реакция, мощность которой эквивалентна энергии, выделяемой при взрыве 100 кг тротила.
Для получения сколь-нибудь постоянной энергии необходимо сжимать такие мишени периодически. А для ее распространения - создавать камеры, стенки которых будут способны принять взрывную энергию и передать ее теплоносителю. Над этими двумя проблемами и бьются ученые.
Но пока процесс синтеза получить не удается, несмотря на использование в одной УТС нескольких мощных лазеров. УТС "Искра-5", работающая в исследовательском центре Арзамас-16, имеет двенадцать лазерных каналов с общей энергией излучения 30 кДж. В США строят гигантскую установку NIF (National Ignition Facility) со 192 лазерами, совокупная мощность которых в шестьдесят раз превышает возможности нашей "Искры". Теоретически ее должно хватить на получение положительного термоядерного эффекта. Эту УТС предполагалось ввести в 2003 году, но затраты на нее уже составили 2 млрд долларов, что изрядно превышает первоначальную смету, и американцам явно придется раскошелиться еще, чтобы начать ее эксплуатацию.
В России идея инерционных УТС получила некоторую известность в связи с шумихой в СМИ, поднятой в начале этого года вокруг технологии так называемого "котла взрывного сгорания", разработанной в Снежинске (Челябинск-40), суть которой инициаторы кампании рассекречивать не стали. Но отдельные высказывания ("миниатюрные бомбочки") дают основание полагать, что речь идет об УТС с инерционным термоядерным синтезом. Обращает на себя внимание и такой факт: обещая обеспечить дешевым электричеством две трети человечества, разработчики "котла" называют и сроки, когда это произойдет, - середина XXI века.
Небольшая доля
Мечта об управляемом термоядерном синтезе пока так и осталась мечтой. Термоядерный реактор до сих пор не выработал ни ватта электричества, несмотря на пятьдесят лет исследований и колоссальные расходы. Только США, по данным Евгения Велихова, потратили на разработки в этой области 15 млрд долларов. Что же касается ИТЭР, то, по словам директора проекта Рэя Эймара, коллектив ученых и инженеров из стран Европейского союза, России, США и Канады уже израсходовал на его разработку 1 млрд долларов и полон решимости не останавливаться на достигнутом. Предыдущий ИТЭР оценивался в 7,4 млрд долларов, но после выхода в 1998 году из проекта США реактор пришлось немного удешевить. Теперь на его строительство нужно "всего" 3,5 млрд долларов. И, похоже, Канада готова предоставить не только площадку для размещения ИТЭР, но и половину этой суммы. Ее понять можно, деньги в стране есть, осваиваться они будут на ее территории, к тому же в страну переедут сотни квалифицированных специалистов. Но что толкает правительства других развитых стран (за которыми придется последовать и нам), выделяющих деньги не только на ИТЭР, но и на собственные термоядерные проекты (так, Япония на модернизацию своих УТС собирается потратить около 300 млн долларов), идти на такие расходы?
Люди давно и упрямо пытаются решить свои энергетические проблемы иными способами, нежели традиционное сжигание органического топлива в котлах тепловых станций или деление ядер урана в реакторах АЭС. Однако толку от этого немного. По данным МАГАТЭ, доля альтернативной энергетики - ветра, Солнца, топливных элементов и прочей экзотики - в совокупном производстве энергии на Земле составляет лишь 3%.
Термоядерные оптимисты, вероятно, полагают, что эта доля когда-нибудь будет расти. Во всяком случае, дешевый газ, по прогнозам некоторых специалистов, скоро закончится. Не безграничны и запасы нефти. Что касается АЭС, то при комбинированной работе тепловых и быстрых реакторов, природного уранового топлива хватит на сотни лет. Однако АЭС ежегодно отрабатывают десятки тысяч тонн радиоактивного топлива, хранение и переработка которого становится головной болью для специалистов и поводом для истерики "зеленых". Политиков беспокоит возможность выделения из отработанного топлива материалов для нелегального производства ядерного оружия. Сохраняется и опасность серьезных аварий на реакторах.
По словам организаторов Дней ИТЭР, термоядерный реактор освободит человечество от этих проблем. Такое колоссальное преимущество имеет, впрочем, один досадный недостаток: такого реактора у человечества нет. А будет ли, и если будет, то когда, - неизвестно.
