В местечке Кадараш на юге Франции уже несколько лет идет строительство экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (чаще его называют токамак). Прообразом токамака стала главная звезда Солнечной системы – Солнце. На нем идут похожие процессы термоядерного синтеза.
По затратам – 30 миллиардов долларов – токамак превосходит все ранее существовавшие проекты. В «стройке века» участвуют 35 стран: Индия, Китай, США, Южная Корея, Япония. Но главное бремя несут две стороны – Евросоюз и Россия. Первая – финансовое, вторая отвечает за научную составляющую, ибо идея бесконечного источника энергии впервые была реализована в СССР.
Бомба важнее реактора
В 1934 году знаменитый физик Эрнест Резерфорд открыл элементарную реакцию ядерного синтеза, когда два атома дейтерия (тяжелый водород) создавали атом гелия с выделением большого количества энергии. В 1938 году физик из США Ханс Бете в работе «Генерация энергии в звездах» выложил расчеты по термоядерным реакциям, происходящим внутри звезд. Из них следовало, что для протекания термоядерной реакции в дейтериевой плазме ее необходимо разогреть до температуры 100 миллионов градусов по Цельсию. На тот момент способов достичь такой температуры не существовало, а самое главное – не было материалов, способных ее выдержать. Кстати, внутри ядра Солнца, где тоже происходит термоядерный синтез, температура составляет около 15-16 миллионов градусов.
Разработки в сфере термоядерного синтеза в 1940-х годах были прекращены в связи со Второй мировой войной и последующими попытками создать ядерную бомбу. Стоит понимать, что в ядерной бомбе происходит неконтролируемая реакция с одновременным выделением максимального количества энергии. В мирных целях атомная реакция должна выделять то количество энергии, что от нее требуют. Поразительно, но в СССР одним из авторов решения задачи создания термоядерного реактора стал сержант Советской армии Олег Лаврентьев.
Будучи учеником 7-го класса, в 1941 году Лаврентьев прочитал книгу «Введение в ядерную физику». Подростка заинтересовала тема, но все планы спутала война. Олег был призван на фронт, а после победы продолжил службу на Сахалине. Там он продолжал заниматься самообразованием. В 1948 году замполит поручил Олегу подготовить доклад на тему ядерной физики. За несколько дней Лаврентьев вник в проблему термоядерного синтеза и даже сформулировал его конструкцию. Ее суть заключалась в том, чтобы осуществлять управляемый термоядерный синтез протона и дейтрона с выходом двух альфа-частиц при температурах, достижимых в ядерном взрыве. При этом удерживать нагретую до миллионов градусов плазму Лаврентьев предложил электростатическим полем.
Самородок с Сахалина
К весне 1950 года Лаврентьев закончил свою научную работу, состоявшую из двух частей. В первой он описывал способ создания водородной бомбы на основе дейтерида лития. Во второй части предлагал метод получения электроэнергии путем управляемой термоядерной реакции. В июле 1950 года работа Лаврентьева была отправлена в отдел тяжелого машиностроения ЦК ВКП(б) под грифом «совершено секретно». В Москве ее передали на рассмотрение молодому академику Андрею Сахарову, который вынес рецензию: «…Я считаю необходимым детальное обсуждение проекта тов. Лаврентьева. Независимо от результатов обсуждения необходимо уже сейчас отметить творческую инициативу автора».
После этого участь сержанта была предрешена. Его демобилизовали и отправили в Москву. После встречи с Лаврентием Берией он стал студентом физического факультета МГУ. Кроме того, парню открыли допуск в секретную Лабораторию измерительных приборов АН СССР (ныне – Курчатовский институт), где производились сверхсекретные исследования в области физики высокотемпературной плазмы. Лаврентьев тогда еще не знал, что его способ удержания раскаленной плазмы с помощью электростатического поля далеко не единственный. Так, Андрей Сахаров и Игорь Тамм выбрали магнитный способ термоизоляции плазмы. А идея талантливого сержанта, увы, оказалась бесперспективной, ибо предложенная им реакция оказалась неосуществимой из-за низкого эффективного сечения, что и отметил Сахаров. Тем не менее заслуга сержанта Лаврентьева, кстати, будущего доктора физико-математических наук, была уже в том, что он инициировал работы по управляемому термоядерному синтезу.
А вот суть идеи Сахарова и Тамма состояла в создании среды в виде торта или бублика, где плазма свободно нагревалась с помощью электротока и удерживалась магнитным полем. Справедливости ради надо отметить, что подобная идея в начале 1950-х была предложена и в США, но до 1970-х не вызывала интереса.
В одиночку не вытянуть
В 1954 году в Курчатовском институте был построен ТМП – прообраз будущих токамаков, но информация о нем была засекречена. Кстати, сам термин «токамак» придумал в 1957 году ученик Курчатова – Игорь Головин. Первоначально термин звучал как «токамаг» – сокращение от слов «тороидальная камера магнитная». Позднее, создатель первой тороидальной системы Явлинский предложил изменить окончание «маг» на «-мак» для интернационального благозвучия. В итоге русская аббревиатура «токамак», наряду со словами «спутник», «балалайка» и «водка», вошла почти во все языки мира.
В декабре 1955 года Игорь Курчатов на совещании советских физиков рассказал о работах по управляемому термоядерному синтезу (УТС). Согласно коллективному мнению, программа УТС не имела военного применения, а из-за сложности задачи требовала соединения усилий физиков из других стран. На просьбу Курчатова рассекретить программу УТС Кремль ответил согласием, и в 1956 году Курчатов рассказал о работах в СССР в английском ядерном центре в Харуэлле. В конце доклада физики мира устроили Курчатову овацию.
Так в чем же преимущество токамаков перед теми же АЭС или ТЭЦ?! В теории термоядерный синтез – неисчерпаемый источник энергии. Всего нескольких граммов водородных изотопов хватит, чтобы снабдить электроэнергией тысячи домов, а «пакет» размером с арбуз может заменить 10 тысяч тонн угля. При этом, в отличие от нефти, газа и угля, запасы дейтерия и трития почти неисчерпаемы. Дейтерий в промышленных масштабах получают из воды Мирового океана, а тритий (которого нужно значительно меньше) из лития в результате несложной реакции. А вот урановой руды (точнее, урана-235) для АЭС хватит лишь на несколько десятков лет. И в отличие от АЭС, токамаки почти не оставляют радиационного «хвоста». Так что перспективы применения бубликов с плазмой внутри были очевидны еще в 1950-х.
В 1968 году в Курчатовском институте был построен токамак Т-3, где плазма разогревалась до 11,6 миллиона градусов по Цельсию. В 1979-м был создан Т-7 – первый в мире токамак со сверхпроводящей тороидальной обмоткой на основе ниобий-титана. На установке Т-10 была впервые достигнута температура электронов в 120 миллионов. В 1988 году в Курчатовском институте появился Т-15 – первый в мире токамак с циркуляционной сверхпроводящей магнитной системой на основе ниобий-олова.
В конце 1980-х Горбачев и Рейган договорились о совместном создании супертокамака. Позднее в проект вошли Япония и Евросоюз. Но после распада СССР Вашингтон вышел из соглашения в надежде, что без его денег проект умрет.
Не вышло, ибо бремя финансирования взял на себя Евросоюз, а также новые участники проекта. В 2004-м США попросились обратно, и их приняли. После того как местом строительства супертокамака был выбран французский Кадараш, основной объем финансирования (45%) взял на себя ЕС, а остальные расходы страны-участницы делят поровну. Сроком завершения гигантского строительства называют 2025 год.
