Наука и техника: прошлое и настоящее

Чудо в Кадараше

Да, были люди в наше время,
Не то, что нынешнее племя:
Богатыри!
М.Лермонтов

Немного истории

В 1946 г. известные учёные – И.И.Гуревич, Я.Б.Зельдович, И.Я.Померанчук (все профессора Московского механического института, теперь МИФИ) и Ю.Б.Харитон (директор КБ-11) – выступили с предложением использовать ядерную энергию лёгких элементов. В их докладной записке правительству указывалось, что термоядерные реакции изотопов водорода могут стать мощным источником энергии, сопоставимым с делением урана. Эта краткая записка была первым упоминанием термоядерного оружия (водородной бомбы) и будущего управляемого термоядерного синтеза. Но в то время все научные силы страны были брошены на создание атомной бомбы. Взрывы в Хиросиме и Нагасаки показали мощь атомного оружия и непреклонность Америки. Надо было срочно создавать свой атомный щит, ни о чём другом не было времени даже подумать. По этой причине доклад «четвёрки» не был оценён, даже не получил грифа секретности. Записка отправилась в архив, где пролежала 30 лет. Независимо американские ядерщики пришли к той же идее и при поддержке президента Г.Трумэна стали разрабатывать водородную бомбу, отцом которой считается Э.Теллер – репатриант, бежавший в США из захваченной нацистами Европы. Опять, как и в случае с атомным оружием, пришлось играть в догонялки с недавним союзником. Усилиями созданного в старинном городе Сарове (закрытом и сверхсекретном) Всесоюзного научно-исследовательского института экспериментальной физики (а попросту «Арзамас-16») к середине 1950-х эта труднейшая задача была решена. Монополии США на разрушительное оружие пришёл конец, что, несомненно, успокоило горячие головы и спасло мир от новой мировой войны. Как сказал академик А.Д.Сахаров, «установилось равновесие страха, породившее логику ГВУ» (гарантированное взаимное уничтожение).

Взорвать атомную, а потом водородную бомбы было сравнительно нетрудно. Для атомной надо было свести вместе (направленным ударом) критическую массу ²³⁵U, которая представляла собой гандбольный шар радиусом 8 см и весом 50 кг. Для усиления взрыва и замедления нейтронов, вызывающих цепную реакцию деления, шарик покрывался бериллиевым отражателем. Водородная бомба, для взрыва которой нужна высокая, миллионы градусов, температура, инициировалась атомным взрывом. В ноябре 1952 г. на атолле Эниветок в Тихом океане американцы произвели первый залп термоядерного (ТЯ) взрывного устройства «Майк». По сути, это была не бомба, а целая установка весом 60 т, с жидким дейтерием при низкой температуре. Но мировой шум она, конечно, произвела. Стало понятно, что мощность ТЯ-оружия не ограничена и может достигать мегатонн в тротиловом эквиваленте (атомные бомбы были калибра 50 Кт), – это действительно сверхбомба, способная уничтожать целые районы. Вот только как доставлять её? Через пару лет физики «Арзамаса-16» (И.Е.Тамм, А.Д.Сахаров, В.Л.Гинзбург и многие другие) успешно испытали на полигоне Семипалатинск в Казахстане свой вариант компактной водородной бомбы. Термоядерной взрывчаткой служил дейтерид лития (²Н⁶Li): необходимый тритий возникал в момент взрыва атомной бомбы в реакции

n + ⁶Li → ⁴He + ³H. (1)

Этот вариант решал многие проблемы, и можно было готовить под него самолёты доставки и баллистические ракеты, разрабатываемые в НИИ С.П.Королёва. Американцы независимо, но несколько позже, тоже дошли до идеи дейтерида лития в качестве ТЯ-заряда.

На повестку дня вышли мирные задачи: как использовать ядерную энергию, добываемую в цепной реакции деления урана или в синтезе дейтерия и трития, в качестве источника питания атомных и ТЯ-электростанций. В 1957 г. в г. Обнинске заработала первая АЭС (на основе экспериментального реактора), открыв путь атомной энергетике. (Во многих странах, лишённых углеводородных источников – Франции, Японии, Венгрии, – АЭС вырабатывают сейчас 50–70% электроэнергии.)

Управляемый термоядерный синтез (УТС) оказался намного сложнее, не под силу отдельным странам, даже таким богатым, как США. На конференции в Английском ядерном центре Харуэлл (1956 г.) глава нашей делегации академик И.В.Курчатов выступил с сенсационным докладом «О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде», снявшим завесу секретности. Высокотемпературную разреженную дейтерий-тритиевую плазму, сжигающую на своём пути любую преграду, можно сохранить в магнитных ловушках, что в 1952 г. предложили И.Е.Тамм и его аспирант А.Д.Сахаров.

Один исторический факт. В пору полной секретности, в конце 1940-х, проблему УТС пытался решить солдат-самоучка Олег Лаврентьев, проходивший службу на Сахалине. В письме, направленном И.В.Сталину и в ЦК ВКП(б) он предложил правильный вариант ТЯ-бомбы (с D⁶Li, где D – дейтерий), а также свой метод удержания высокотемпературной плазмы от попадания на стенки реактора с помощью электрического поля. Солдат был вызван в Москву и предстал перед учёными-ядерщиками, занятыми тогда разработкой ядерного оружия. О.А.Лаврентьев стал первым в мире человеком, который задумался о реальном проекте ТЯ-реактора, опередив профессиональных физиков! Я.Б.Зельдович и А.Д.Сахаров высоко оценили это предложение. Несомненно, предложения солдата послужили толчком для развития правильной идеи магнитного термоядерного реактора (МТР).

Магнитное удержание плазмы

Постановление СМ СССР от 5 мая 1951 г. положило начало государственной программе термоядерных исследований. Автором всех основных направлений УТС стал А.Д.Сахаров во время своей удивительно плодотворной работы в «Арзамасе-16» параллельно с успешной разработкой атомного оружи: магнитный термояд (И.Е.Тамм, А.Д.Сахаров, 1952); «холодный термояд», или мю-катализ (А.Д.Сахаров, Я.Б.Зельдович, 1957); инерциальный термояд А.Д.Сахаров, 1960). Позднее появились конкретные разработки: многопучковый лазерный термояд (Н.Г.Басов, О.Н.Крохин, 1964), инерциальный термояд, инициируемый потоками заряженных частиц (электронный, протонный, ионный).

Возможны две реакции ТЯ-синтеза:

DD-реакция: ²H + ²H → ³He + n + 3 МэВ,

или ²H + ²H → ³H + p + 4 МэВ; (2)

DT-реакция: ²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 МэВ. (3)

Первая предпочтительнее, т.к. дейтерия на Земле много (N_D/N_H = 1,6 · 10^-4) и его добыча сравнительно проста. Тритий – радиоактивный изотоп со временем распада τ = 12 лет. Однако DD-реакция трудно осуществима из-за более низкой калорийности: q_DD = 1 МэВ/нуклон, в то время как q_DT = 3,5 МэВ/нуклон и в сто раз большей температуры «поджига». Американские попытки инициировать дейтериевый взрыв в небольших по объёму системах ничего не дали. Реальным вариантом оставалась DT-реакция – как для водородной бомбы, так и для УТС.

Было предложено несколько удерживающих плазму систем. Открытые магнитные ловушки, в центре которых в минимуме потенциала плазма оказывается «запертой». Они действительно широко использовались для определения характеристик плазмы и времени её сохранения. Но получить долгое удержание (хотя бы порядка миллисекунд) оказалось невозможным: в результате рассеяния заряженные частицы попадали в конус потерь и уходили из ловушки. Здесь проявилась главная причина первых неудач – отсутствие точных теоретических расчётов. Ещё не была развита наука – магнитная гидродинамика плазмы. Такого теоретического «просчёта» физики не имели при разработке (тоже очень трудной) атомной бомбы и атомных реакторов. Нужны были не только опытные ядерщики-экспериментаторы, но и высокообразованные теоретики. Были необходимы ЭВМ, которые в ту пору оставались ещё ламповыми, громоздкими и капризными.

Успеха добились замкнутые магнитные системы: стеллараторы (на западе) и токамаки (у нас). Аббревиатура «токамак» означает ТОковая КАмера с МАгнитными Катушками и была придумана И.Н.Головиным из группы физиков, создававших под руководством академика Л.А.Арцимовича всё более крупные «кастрюли» (по прекрасному фильму Михаила Ромма «Девять дней одного года»). Здесь уместно упомянуть этих выдающихся участников лаборатории № 2 – ЛИПАН, как тогда назывался Институт атомной энергии им И.В.Курчатова: М.А.Леонтович (главный теоретик), Н.А.Явлинский, Б.Б.Кадомцев, И.Н.Головин, В.Д.Шафранов.

Идея токамака крайне проста. Полая тороидальная камера (например, металлическая) является вторичной обмоткой трансформатора (рис. 1). Камера наполнена газовой DT-смесью. Когда на первичную обмотку трансформатора подаётся мощный запускающий импульс (сотни килоампер), в камере возникает индукционный ток, ионизирующий и разогревающий газ, превращая его в плазму. Магнитное поле тока сжимает плазму в круговой шнур, оторванный от стенок и висящий на магнитных силовых линиях. При достижении высокой температуры в плазме начинаются ТЯ-реакции синтеза, темп которых должен быть достаточно высок для того, чтобы весь процесс был энергетически выгодным: они должны не только восполнять потери энергии на создание плазмы, но и не давать ей быстро остыть. Поиски такого идеального режима заняли более 30 лет, в течение которых разрабатывались всё более крупные токамаки, – плазма вела себя всё более контролируемым образом. От первичных тороидов с большим и малым радиусами 10 см и 2 см соответственно дошли до метровых размеров. Объём плазмы возрастал и в последних машинах составлял уже несколько литров. Была достигнута устойчивость шнура плазмы, его фиксация по центральной оси, для чего были введены соленоидальные магнитные катушки, охватывающие всю камеру.

Рис. 1. Принципиальное устройство токамака и конфигурация магнитных полей в нём

Неизменным руководителем и идеологом направления токамаков был выдающийся советский физик академик Л.А.Арцимович. После его смерти в 1973 г. группу возглавил академик Е.П.Велихов.

Лев Андреевич Арцимович

Это был выдающийся учёный – теоретик и экспериментатор, создатель курса «Физика высокотемпературной плазмы», разработчик токамаков, один из основателей МИФИ, яркая творческая личность. Его отличительной чертой была настойчивая решительность в проведении порученного дела. За что бы ни брался Лев Андреевич, какая бы задача перед ним ни возникала, его деятельность, подкреплённая точными расчётами, всегда приносила успех. Он, по выражению А.Д.Сахарова, «ко всему подходил с умом». Можно отметить три основных направления его исследований, все – крупные, ответственные участки атомных проектов.

1. Электромагнитное разделение изотопов урана. В самом начале уранового проекта необходимо было срочно получить некоторое количество изотопа ²³⁵U для измерения его характеристик, чтобы знать, как обходиться с ним на заводах по производству «изделия». Группа Арцимовича справилась с задачей, несмотря на новизну исследований и опасность работы с радиоактивным ураном.

2. Создание и развитие метода «Токамак» как наиболее перспективного варианта МТР. Этой огромной теме были отданы все силы, практически вся жизнь – более 30 лет упорного труда. Токамаки прошли трудный путь от «первенца» Т-1 до зрелых, сложных установок. Именно в работе с токамаками Л.А.Арцимович показал «высокий общефизический уровень, прекрасное владение экспериментальной техникой и теорией, острый скептический и одновременно деловой ум» (А.Д.Сахаров). Его несомненной заслугой и большой удачей был выбор М.А.Леонтовича в качестве главного теоретика проекта, без которого успехи в освоении физики плазмы были бы просто невозможны.

Первое десятилетие (1950–1960 гг.) заняла изнурительная борьба с неустойчивостями плазменного шнура: «разрывами», «перетяжками», упрямым нежеланием занимать центральное положение по оси тороида. Шнур изгибался, лизал стенки камеры и быстро остывал. Невозможно было получить требуемое время сохранения высокой температуры, что необходимо для протекания ТЯ-реакций. Но шаг за шагом её капризы понимались, учитывались, нестабильности подавлялись, время удержания, проверяемое экспериментами, росло. Появились термоядерные нейтроны, свидетели протекающих реакций синтеза. Во втором десятилетии (1960–1970 гг.) токамаки вышли на международный уровень. В 1968 г. на конференции МАГАТЭ, проходившей в Новосибирском академгородке, Л.А.Арцимович доложил результаты по Т-3: плотность и температура электронов была больше, чем в зарубежных установках, а плазменный шнур макроскопически устойчив: время удержания достигло 0,01 с, что в 30 раз превышало ожидаемое. Для проверки английские коллеги привезли к нам свою диагностическую аппаратуру, – параметры плазмы оказались даже выше, чем доложенные на конференции. Во всех лабораториях мира начался переход на токамаки. Американские физики, ранее не допускавшие и тени сомнения в своём выборе, заменили стелларатор на Большой принстонский тороид (PLT), который включился в гонку. В НИИЭФА им. Д.В.Ефремова начали конструировать большой токамак.

Последующие, всё более крупные и оснащённые, установки Т-7, Т-10 и Т-15 разрабатывались по указаниям Льва Андреевича, но давали рекордные результаты уже без него. Дальнейшие успехи токамаков были предрешены.

3. Создание плазменных двигателей для космических аппаратов. Эта работа, начатая Л.А.Арцимовичем при поддержке С.П.Королёва, тоже не сразу получила признание. Главными двигателями, развиваемыми со времени разработки баллистических ракет, законно считались мощные ракеты на жидком и твёрдом топливе. Что могут противопоставить им эти «плазменные крошки»? Они, как и плазма в токамаках, были сначала непослушны и капризны. Им не верили, их снимали с испытаний. Но интуиция плюс упорство изобретателя пересилили скептиков. Плазменные выбросы «крошек», доходящие до сверхзвуковых скоростей, оказались более экономичными и выгодными для длительных полётов космических кораблей. Огромная работа по плазменным двигателям проводилась без отрыва от токамаков и привела к успеху в конце деятельной работы Льва Андреевича. Он рано, в 64 года, ушёл из жизни.

Энергетически выгодный термоядерный синтез

Самый крупный в нашей стране токамак-15 (рис. 2) со сверхпроводящими магнитами был последним (1988 г.). Расходы на научные исследования резко сократились. Но, по сути, прорыв в УТС уже состоялся. А эта задача, по мнению Л.А.Арцимовича, «обязательно будет решена, когда термоядерная энергия будет совершенно необходима человечеству».

Рис. 2. Схема Токамака-15

Дальнейшего улучшения параметров плазмы добились большие зарубежные токамаки: TFTR (США), JET (Европа), JT-60 (Япония). На них были получены параметры плазмы, требуемые для достижения границ энергетически выгодного УТС (рис. 3). Показаны результаты для разных токамаков, параметры которых улучшались с ростом их размеров. Хотя эти установки были чисто экспериментальными, а исследования проводили в основном на дейтерии (по причине радиоактивности трития), они в некоторых случаях даже превзошли планируемые границы. Так, температура плазмы была получена 4 · 10⁸ К, что в 4 раза больше необходимой. На смеси дейтерия и трития TFTR достиг мощности 10 МВт (что всё же намного уступает современным ТЭС и АЭС с их мощностью порядка гигаватт). Эти достижения важны, в первую очередь, потому, что показали реальные возможности термоядерной энергетики. Время сохранения высокой температуры плазмы выросло до 10 с, и стало ясно: оно будет расти с увеличением объёма плазмы. Осталась всё же неопределённость: как разогревать плазменный шнур больших размеров? Выделение омического тепла даёт начальный разогрев. С повышением температуры проводимость плазмы возрастает, она перестает нагреваться. Один из предложенных вариантов – нагрев пучком нейтральных атомов, который можно вводить внутрь через магнитные катушки. Столкновения пучка с ядрами и электронами увеличивают их энергию.

Рис. 3. На пути к реактору-токамаку с положительным выходом энергии (1965–1998 гг.). Q_DT – отношение ТЯ-энергии к энергии разогрева плазмы. На рисунке приведены данные для токамаков TFTR (США), JET (Европа), JT-60 (Япония), Т3 и Т10 (Россия), – для других токамаков; n – плотность плазмы, τ_E – время удержания температуры Т

На основе достигнутых результатов стал создаваться проект последнего экспериментального токамака, который по сложности и материальным затратам мог быть только коллективным трудом всех заинтересованных стран. Десять лет ушло на разработку проекта Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER – ИТЭР). В настоящее время проект принят, его расчёт доведён «до последнего болта», хотя не раз подвергался изменениям. Основная борьба шла за удешевление проекта, и его настоящий вариант стоит 5 млрд долл. В 2008 г. было принято окончательное решение о строительстве на юге Франции в ядерном центре Кадараш, где есть научная организация и необходимые технические кадры. Другие предложения – Канада, Япония, новый ядерный центр в Испании – оказались не столь подходящими.

Задачи ИТЭР и перспективы энергетики

ИТЭР – огромный скачок в развитии. Прежний медленный рост токамаков определялся ограниченными научными задачами и, не в последнюю очередь, малыми капитальными вложениями. Теперь, после решения всех принципиальных вопросов, связанных с плазмой, осознаны требуемые размеры реактора и на очереди встали многочисленные инженерно-технические задачи. Их решение не допускает отсрочек – давит пресс мировой всё ухудшающейся энергетики.

ИТЭР – это гигантская установка размером 20 × 30 × 30 м³, с объёмом плазмы 2000 л, что в сотни раз превосходит прежние установки, а по тепловой мощности (500 МВт) – в 50 раз. В то же время принципиальная схема осталась той же, как и у старых токамаков, созданных Л.А.Арцимовичем. Ещё 30 лет назад основные проблемы «термоядерного чуда» были решены, но необходимая высокая техника смогла появиться только в наши дни.

Число стран-участниц проекта увеличилось, и сейчас в консорциум входят Европа (Англия, Франция, Германия), США (которая только недавно окончательно приняла решение), Россия, Япония, Китай, Индия, Корея. Доля нашей страны – 50 млн долл. в год. Со временем возможно присоединение других стран, которые решат развивать энергетику с помощью наших токамаков. ИТЭР должен стать последним экспериментальным реактором, на котором должны быть решены все технические задачи и за которым последует создание действующих ТЯ-станций. Строительство, начатое в 2007 г., займёт несколько лет (если экономический кризис не внесёт свои коррективы).

Согласно плану, в 2017–2027 гг. должны быть проведены эксперименты, которые позволяют ответить на ряд главных вопросов. Первая проблема – переход от импульсной работы токамака, как было раньше, к непрерывному «горению» DT-реакции. Сначала время удержания доведут до 400 с, затем введут режим незатухающей реакции при условии необходимой подпитки плазмы дейтерием и тритием. Следующая проблема – непрерывная регенерация трития в реакции ⁶Li c нейтронами, как и в водородной бомбе, см. реакцию (1), но с нейтронами, образующимися в реакции «горения». С этой целью литиевая мишень будет располагаться в специальном месте – бланкете, облучаемом нейтронами. Ещё одна важная проблема – термоядерные нейтроны, энергия которых в десятки раз превышает энергию нейтронов деления урана в атомных реакторах. Там цирконий и титан, элементы, слабо поглощающие нейтроны, обеспечивают стойкость стенок реактора в течение десятков лет. Как выдержит бланкет облучение нейтронами таких больших энергий? Очередная задача – защитить стенки от высокоэнергичных нейтронов (путём подбора новых материалов или созданием переходного слоя, что уже проверялось на крупных токамаках). Много вопросов предстоит решить по отводу тепла из горячей плазмы и запуску электрогенераторов, что существенно сложнее, чем в атомных реакторах на быстрых нейтронах.

Ещё одна принципиальная задача встаёт перед будущими ТЯ-установками, которая может сделать их экологически чистыми. Дело в том, что тритий радиоактивен сам по себе, а нейтроны от DT-реакции, захватываясь ядрами на стенках, неизбежно наведут вторичную радиоактивность и, следовательно, об экологической чистоте не может быть и речи. Конечно, радиоактивность продуктов деления урана в атомном реакторе несравненно больше, но её можно добиться, если реакцию заменить на

D + ³He → ⁴He + p, (4)

в которой нет ни трития, ни нейтронов. Электрически заряженные ⁴Не (α-частицы) и протоны не уйдут из плазменного шнура, удерживаемые магнитным полем тока. В результате никакой радиоактивности – заветная мечта экологов. Только это благо, как и всё в нашей жизни, не даётся даром: реакция (4) требует в 7 раз более высокой температуры плазмы. Достижение режима с Т = 7 · 10⁸ К – следующий огромный шаг УТС. В экспериментах на ИТЭР возможность такого режима будет изучена. Ведь на TFTR уже получена Т = 4 · 10⁸ К! А обеспечение ТЯ-реакторов изотопом ³Не, которого нет на Земле, можно решить, как показали исследования, с помощью лунного реголита. Луна, лишённая атмосферы и магнитного поля, постоянно облучается солнечным ветром, так что в верхних слоях грунта накоплены заметные запасы этого горючего (к нам солнечный ветер не попадает, отклоняясь земным магнитным полем). Добывайте его в лунных экспедициях и пересылайте в земные ТЯЭС. Будет ли такой перевоз экономически выгодным, сказать трудно. Сейчас это воспринимается как далёкая, почти запредельная фантастика, но не фантастичны ли были идеи К.Э.Циолковского о полётах в космическое пространство каких-нибудь 50 лет назад?!

Следом за ИТЭР пойдёт программа ДEMO (демонстрации возможности ТЯ-станции), предназначенная для разработки прототипа ТЯЭС на основе результатов проведённых экспериментов. Они должны окончательно выбрать тип энергетического ТЯ-реактора: будет ли это токамак или другой вариант, например, стелларатор. В последнее время эксперименты на стеллараторах (у нас и за рубежом) показали, что на последних получены такие же результаты, как на токамаках. По «спокойствию плазмы» в малых установках – от срывов и выбросов – они оказались даже более надёжными, но совершенно неясно, как поведут себя при необходимом укрупнении. Предполагается, что первая ТЯЭС будет введена через 20 лет после завершения работ ИТЭР.

Сегодняшнее чудо в Кадараше предвидели И.В.Курчатов, И.Е.Тамм, А.Д.Сахаров, Л.А.Арцимович – все, кто посвятил свой непомерный труд решению проблемы УТС. Оно наглядно проявится, когда в ИТЭР загорится непрерывная термоядерная реакция и на Земле наконец вспыхнет рукотворное Солнце.

Земное Солнце послужит людям так же верно, как миллиарды лет служила наша спокойная звезда, породившая и согревшая род людской. Наверное, именно об этом строки великого пролетарского поэта:

Светить всегда,
светить везде,
до дней последних донца,
светить –
и никаких гвоздей!
Вот лозунг мой –
и солнца!

Дополнительная литература

1. Сахаров А.Д. Воспоминания. Т. 1. – М.: Время, 2006.
2. Петрукович А. Луна и грош, или история гелиевой энергетики. – Наука и жизнь, 2004, № 3.
3. Голубчиков Л.Г. ИТЭР. Решающий шаг. – М.: МИФИ, 2004.
4. Мирнов С.В. Энергия из воды. – М.: МИФИ, 2007.