Энергия звёзд на Земле: как человечество пытается обуздать термоядерный синтез
Идея термоядерного синтеза родилась не в лаборатории, а в астрономии. В начале XX века, после открытия атомного ядра Эрнестом Резерфордом, стало ясно: внутри атома скрыта энергия, несоизмеримая с привычными химическими процессами. Этот вывод сразу поставил перед учёными фундаментальный вопрос: откуда Солнце и другие звёзды берут энергию, позволяющую им светить миллиарды лет? И нельзя ли эту энергию приручить и использовать на благо человечества? Причём фантасты сразу ответили: «ДА!!» - именно на термоядерном реакторе работают автомобиль из кино «Назад в будущее», космический корабль из фильма «Интерстеллар» и «сердце» Железного человека во вселенной Marvel. Учёные, конечно, более щепетильны – но и их ответ утвердительный. Просто не такой быстрый.
Звёздная «кухня»
В 1920-х годах британский астрофизик Артур Эддингтон выдвинул смелую для своего времени гипотезу: источник звёздного сияния, другими словами, энергии – термоядерные реакции. Такие реакции с физической точки зрения противоположны реакциям ядерным: при ядерной реакции деления тяжёлое ядро (например, ядро урана) расщепляется на более лёгкие, а при термоядерной реакции синтеза лёгкие ядра сливаются в более тяжёлые.
Эддингтон вообще, надо сказать, личность в истории физики легендарная: в 1919 году он первым экспериментально подтвердил теорию относительности Эйнштейна. А в 1920-м, задолго до создания ядерной физики, указал на реакцию превращения водорода в гелий как на возможный источник энергии звёзд. Он предположил, что энергия в звезде генерируется со скоростью, зависящей от температуры и плотности, причём процесс должен саморегулироваться, иначе невозможно устойчивое состояние – то есть звезды просто не будет. А это возможно лишь в случае реакций термоядерного синтеза. По теории Эддингтона в недрах Солнца ядра водорода сливаются в гелий, высвобождая колоссальное количество энергии – и пусть тогда это была лишь теория, но он оказался прав.
Ключ к пониманию термоядерных процессов дала ядерная физика. В 1932 году британец Джеймс Чедвик открыл нейтрон, и структура атомного ядра перестала быть загадкой. Вслед за этим немец Карл Фридрих фон Вайцзеккер и американец Ханс Бете (кстати, член Российской академии наук) разработали теоретические модели термоядерных реакций, протекающих в звёздах. Бете и Вайцзеккер независимо друг от друга в конце 1930-х описали CNO-цикл – цепочку превращений, или термоядерную реакцию, в ходе которых лёгкие элементы, атомы водорода, сливаются в более тяжёлые – гелий, а углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. Этот цикл считается одним из основных процессов термоядерного синтеза в массивных звёздах.
Эти работы подтвердили гипотезу Эддингтона. Но кроме того, показали, что просто так термоядерный синтез в лаборатории не запустить: необходимы экстремальные условия – температуры в миллионы градусов (это горячее ядра Солнца!) и огромная плотность вещества. В природе такие условия создаёт гравитация звёзд. На Земле их предстояло воспроизвести искусственно.
От бомбы к мирной энергетике
Практический интерес к термоядерным реакциям резко возрос после Второй мировой войны. Создание атомного оружия и первых ядерных реакторов показало, что человек способен управлять процессами внутри ядра. В это же время велись работы по термоядерному оружию, где синтез изотопов водорода – дейтерия и трития предполагалось использовать в неконтролируемом виде. Исследования вели параллельно США и СССР, но первой термоядерной бомбой стала советская водородная бомба РДС-6с, созданная академиком Андреем Сахаровым. Её испытали в 1953 году на Семипалатинском полигоне.
Но логика тут шла так же, как с историей про цепную реакцию деления урана – и параллельно с идеей о бомбе возникла другая мысль: использовать термоядерный синтез как источник мирной энергии. Тем более, что ещё до войны учёные выяснили, что в пересчёте на килограмм топлива термоядерная реакция дает гораздо больше энергии, чем реакция распада, которая лежит в основе существующих АЭС. Очень соблазнительно! И как создатель атомной бомбы Игорь Курчатов говорил про «атом, который должен быть не военным, а рабочим», Андрей Сахаров встал у истоков управляемой термоядерной реакции – то есть мирного использования энергии синтеза. А Игорь Васильевич в издании «Управляемый термоядерный синтез» 1958 года издания писал: «Вторая половина ХХ века будет веком термоядерной энергии. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществлены в нашей стране, в США и в Англии в водородных бомбах. Сейчас перед наукой и техникой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива».
Поймать плазму
Главной проблемой стало удержание сверхгорячей плазмы: ни один материал не выдерживает таких температур. Хитрость в том, что любое атомное ядро заряжено положительно, а одноимённые заряды друг от друга отталкиваются – это называется электростатическое отталкивание. Чтобы произошла реакция синтеза, ядра должны приблизиться друг к другу на сверхмалое расстояние, близкое к размеру протонов и нейтронов. Внутри звёзд это происходит благодаря очень высокой плотности и температуре вещества. Но человек пока не способен обеспечить долговременно и одновременно такую концентрацию и кинетическую энергию частиц материи.
Значит, атомам нужно сообщить кинетическую энергию, которая превысит электростатическое отталкивание – так называемый кулоновский барьер. Варианта тут два. Первый – разогнать атомы в ускорителе: тогда все частицы будут двигаться с одной оптимальной скоростью. Это реально для экспериментов, но крайне энергозатратно – настолько, что для энергетики просто бессмысленно. И второй – нагреть вещество на десятки миллионов градусов до состояния плазмы: тогда частицы летают как попало, но достаточно быстро.
Интересно, что первым идею термоядерного реактора Сахарову предложил… солдат Олег Лаврентьев. 7-классником он в 1941 году прочитал книгу «Введение в ядерную физику» и заинтересовался. После войны, проходя сержантом военную службу на Сахалине, занимался самообразованием – читал вузовские учебники и журнал «Успехи физических наук», на который оформил подписку. В 1948 году командование части поручило Лаврентьеву подготовить лекцию по ядерной физике, выделив ему для этого несколько выходных – тогда-то Олег Александрович и придумал свой «реактор Лаврентьева». Написал в ЦК ВКП(б) письмо сразу и об устройстве водородной бомбы, до которого дошёл своим умом, и свои мысли по поводу мирного использования термояда. Из Москвы пришло предписание создать Лаврентьеву условия для работы. В выделенной ему охраняемой комнате он написал свои первые статьи. В июне 1950 года секретной почтой в отдел тяжёлого машиностроения ЦК отправились его письма. В них было описание системы электростатического удержания горячей плазмы для осуществления управляемой термоядерной реакции. Именно эта работа Лаврентьева натолкнула Сахарова на идею использования для удержания плазмы магнитного поля вместо электрического.
Рождение токамака
Так в 1950-х годах учёные СССР предложили принципиально новый подход – тороидальную камеру с магнитными катушками, или, по первым буквам этих слов, «токамак». Его концепцию разработали Игорь Тамм, Андрей Сахаров и их коллеги. В начале 1951 года Игорь Курчатов, Игорь Головин и Андрей Сахаров обратились к Лаврентию Берии с предложением создать лабораторную модель термоядерного реактора, и Берия ответил через три дня – одобрением.
Почти одновременно на Западе появились альтернативные схемы: стелларатор Лаймана Спитцера, зеркальные ловушки, линейные магнитные системы. Активнее всего развивались стеллараторы – в них магнитное поле создаётся сложной системой внешних катушек, тогда как токамак использует ток самой плазмы. Стелларатор более стабилен, но его конструкция – гораздо сложнее.
С 1955 по 1965 годы в Курчатовском институте было построено восемь установок. Технических сложностей было множество, и сперва токамак не был фаворитом в «термоядерной гонке». Решающим стал конец 1960-х годов, когда под руководством Льва Арцимовича советские учёные получили на токамаках рекордные параметры плазмы – по температуре и времени удержания. Эти результаты были подтверждены международными экспериментами и фактически определили мировой выбор: именно токамак стал основным инструментом термоядерных исследований.
В последующие десятилетия токамаки строились по всему миру: в США, Японии, Франции, Великобритании, Южной Корее, Канаде, Китае, Индии, Иране и так далее – всего в 29 странах. А в американском Принстонском университете даже переделали стелларатор С в токамак ST! Исследователи шаг за шагом приближались к выполнению так называемого условия Лоусона – совокупности параметров, при которых реакция синтеза начинает отдавать больше энергии, чем требуется для её поддержания.
Впрочем, в США активно исследуют другой тип термояда – инерциальный термоядерный синтез: сжатие микроскопических капсул с топливом мощными лазерными импульсами. Внутри реактора помещается мишень – шар, состоящий из топлива и нескольких слоёв оболочки, лазеры (пучки ионов) с разных сторон воздействуют на внешний слой мишени, он испаряется и сжимает внутренние слои. В результате вещество становится очень плотным и нагревается до параметров, необходимых для термоядерного синтеза. В России этим направлением занимается Российский федеральный ядерный центр-ВНИИЭФ в Сарове – там строится самая мощная в мире лазерная установка УФЛ-2М с 192 лазерными каналами.
Солнце будущего
К концу XX века стало ясно: одиночным странам задача термоядерной энергетики не по силам. В 1985 году генсек ЦК КПСС Михаил Горбачёв во время встречи с президентом Франции Франсуа Миттераном предложил международный проект крупнейшего экспериментального токамака. Через полтора месяца идею Горбачёв обсудил с президентом США Рональдом Рейганом. Так появился ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor. Первоначально его строили СССР, США, Евросоюз и Япония.
Вообще термояд почти сразу стал точкой сотрудничества, а не противостояния СССР и Запада. СССР испытал свою водородную бомбу 12 августа 1953 года, США – 1 марта 1954 года, но уже 25 апреля 1956 года Игорь Курчатов читал лекцию в британском ядерном центре в Харуэлле, рассказывая о том, что все считали тайной: его доклад назывался «О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде». Тогда Курчатов был впервые «рассекречен», его лекция стала сенсацией – но главное, что это был не акт демонстрации силы, а приглашение к сотрудничеству.
Сегодня ITER строится во Франции усилиями 35 стран – Европы, России, США, Японии, Китая, Индии и Южной Кореи и других. Его цель – продемонстрировать устойчивый термоядерный режим с положительным энергетическим балансом и сделать шаг от экспериментальной физики к будущим электростанциям. Результаты исследований и инженерные разработки доступны всем партнёрам, чтобы в случае успеха ITER каждая страна смогла бы построить свой реактор.
…История термоядерного синтеза – это путь от астрофизической гипотезы к гигантским инженерным сооружениям. За неполный век человечество создало новую область науки – физику плазмы, научилось удерживать вещество в состояниях, существующих в недрах звёзд, и выстроило уникальную модель международного научного сотрудничества, которой нипочём даже нынешние санкции. Термоядерный синтез пока остаётся задачей будущего – технических проблем там ещё очень и очень много, хотя прогресс налицо. Но именно в таких долгих и сложных проектах формируется энергетика XXI века – практически неисчерпаемая, безуглеродная и основанная на законах самой Вселенной.
Алиса Мучник по данным открытых источников
Отзывы
Мы в Телеграм