Обратный отсчет
В 1862 году, во время Всемирной промышленной выставки в Лондоне, газета «Таймс» опубликовала статью о том, как будет жить человечество через 100 лет. Помимо вполне реалистичных прогнозов, к каковым были причислены полеты на Луну и Меркурий и пересылка почты из Европы в Америку в специальных снарядах, в материале фигурировали и совершенно фантастические – например, использование в качестве топлива «горящей» воды. Будущее оказалось непредсказуемым: спустя 158 лет мы все еще не гуляем по Меркурию и, к счастью, не пользуемся для почтового сообщения многотонными военными орудиями. Зато начали строить во Франции первый в мире термоядерный экспериментальный реактор, топливом для которого станет обыкновенная вода.
Точкой отсчета термоядерного синтеза называют 1950 год и связывают его с именем солдата-самоучки Олега Лаврентьева, который проходил службу на Сахалине. Занимаясь самостоятельно ядерной физикой в библиотеке части, он придумал способ получения электроэнергии в управляемой термоядерной реакции и удержания высокотемпературной плазмы от попадания на стенки реактора с помощью электрического поля. Лаврентьев отправил письмо Сталину, и вскоре оно попало в руки Андрея Сахарова, который тогда работал над ядерным и термоядерным оружием. Сахаров высоко оценил предложение Лаврентьева, более того, оно подтолкнуло его и академика Игоря Тамма разработать теорию магнитного термоядерного реактора. Этот вариант позже был реализован командой академика Льва Арцимовича в так называемом токамаке (ТОроидальные КАмеры с МАгнитными Катушками).
Оказалось, что если замкнуть плазму в кольцо, придав ей форму бублика (тора), и наложить вдоль тора магнитное поле, то плазма не сможет двигаться поперек силовых линий, а значит, не будет соприкасаться со стенками ловушки. Благодаря этому открытию удалось частично решить проблему «выживаемости» плазмы.
СПРАВКА
Олег Александрович Лаврентьев — советский и украинский физик, заслуженный деятель науки и техники Украины, доктор физико-математических наук.
Родился в Пскове в 1926 году в семье выходцев из крестьян. До начала войны закончил 7 классов второй образцовой школы г. Пскова, уже в то время проявлял интерес к учебной литературе по ядерной физике. После освобождения города, где он вместе с семьей попал под немецко-фашистскую оккупацию, в возрасте 18 лет пошел добровольцем на фронт. Участвовал в боях за освобождение Прибалтики (1944 — 1945), был награжден медалью «За Победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941 — 1945 гг.». По окончании войны продолжил срочную службу в г. Поронайске на только что освобожденном от японцев Сахалине.
Прочитав в 7 классе (в 1941 году) книгу «Введение в ядерную физику», проявил интерес к этой теме. В воинской части на Сахалине Лаврентьев занимался самообразованием, пользуясь технической библиотекой и вузовскими учебниками. Получая денежное довольствие сержанта, подписался на журнал «Успехи физических наук». В 1948 году командование части поручило Лаврентьеву подготовить лекцию по ядерной физике. Имея несколько свободных дней на подготовку, он заново переосмыслил проблему и написал письмо в ЦК ВКП(б). Из Москвы пришло предписание создать Лаврентьеву условия для работы. В выделенной ему охраняемой комнате он написал свои первые статьи, отосланные в июле 1950 года в отдел тяжелого машиностроения ЦК секретной почтой.
Сахалинская работа Лаврентьева состояла из двух частей. В первой части он предлагал устройство водородной бомбы на основе дейтерида лития. Во второй части своей работы он описывал способ получения электроэнергии в управляемой термоядерной реакции.
В 1950 году демобилизованный Лаврентьев приехал в Москву и поступил на физический факультет МГУ. Через несколько месяцев он был вызван к секретарю Специального комитета № 1 при Совете Министров СССР В. А. Махневу, а спустя несколько дней — в Кремль к председателю спецкомитета по атомному и водородному оружию Л. П. Берии.
Лаврентьев стал получать повышенную стипендию, вместо общежития ему была предоставлена меблированная комната близко к центру Москвы. Диплом он получил с отличием.
Весной 1956 года Лаврентьев был направлен в ХФТИ (Харьков, УССР) и представил свой отчет о теории электромагнитных ловушек директору института К. Д. Синельникову. В 1958 году в ХФТИ была сооружена первая электромагнитная ловушка.
Ученый скончался в 2011-м в Харькове на 85-м году жизни.
(Из Википедии).
Французская Дубна
Кажется, существует какая-то тонкая ирония в том, что самый футуристичный проект современности осуществляется на фоне пасторальных пейзажей Прованса. Короткое путешествие на юго-восток приведет вас на Лазурный Берег – к волшебным пляжам Сан-Тропе и Ниццы. А если повернуть на север, то можно оказаться в Альпах, где на шикарных горнолыжных курортах собирается весь европейский бомонд. Не зря говорят, что Прованс создан для покоя и наслаждения.
И все-таки именно в прованском Кадараше в 2005 году было решено устроить базу ИТЭР (International ThermonuclearExperimental Reactor). Миссия этого международного проекта полна драматизма. По сути это шекспировское «Быть или не быть», переложенное на язык науки: на примере ИТЭР ученым предстоит выяснить, есть ли у человечества шанс обрести доступный, экологически безопасный и при этом практически неистощимый источник энергии.
Первое впечатление, которое сложилось у меня от города, – это «правильное место» для поисков истины. Сейчас это один из самых больших гражданских ядерных центров в Европе. Здесь нет жилых домов, школ и магазинов. Все четыре тысячи сотрудников центра ядерной энергетики живут в соседних поселках, и когда вечером из Кадараша уходит последний автобус, город останавливается, словно огромный механизм, выключенный одним нажатием кнопки.
Это и есть сложный механизм, специально созданный для изучения различных аспектов ядерной энергетики, а теперь еще и термоядерного синтеза. Помимо нескольких ядерных реакторов (среди которых знаменитая «Рапсодия» – первый французский быстрый реактор с жидкометаллическим охлаждением) и токамакаToreSupra (термоядерной установки, на которой проводятся опыты по удержанию плазмы) в Кадараше расположились многочисленные лаборатории, нафаршированные самым современным оборудованием, и учебные классы для подготовки научных кадров. Добавьте еще развитую инфраструктуру и уже существующую высоковольтную линию, позволяющую проводить самые энергозатратные эксперименты (а в некоторых режимах работы ИТЭР будет потреблять до 620 МВт).
Один на всех и все для одного
Интересуюсь у своего гида, директора российского Агентства ИТЭР доктора физико-математических наук Анатолия Красильникова, сколько стран задействованы в проекте?
– В строительстве участвуют ЕС, Швейцария, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, США и Россия. И именно мы были инициаторами создания этого научного консорциума.
Действительно, еще в 1980 году академик Евгений Велихов, посвятивший себя исследованию термоядерного синтеза, писал о том, что «избавить человечество от угрозы энергетического и топливного голода – гуманная цель, и ради нее стоит объединить усилия ученых всех стран». А спустя пять лет, когда «холодная война» пошла на убыль, идею строительства «термоядерной печки» Михаил Горбачев предложил Рональду Рейгану и Франсуа Миттерану.
Наконец, в 2006 году участники консорциума подписали соглашение о начале практической реализации проекта в 2007-м, но строительство началось совсем недавно.
Основная часть работы, которая поручена России, выполняется на базе Курчатовского института, в НИИ электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова, научно-исследовательском и конструкторском институте энерготехники им. Н. А. Доллежаля, в НИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара. Вообще список задействованных в проекте российских исследовательских институтов и предприятий огромен. Над изготовлением оборудования для ИТЭР работают около 2,5 тыс. высококвалифицированных специалистов.
И многое приходится создавать впервые, как, к примеру, провода для разогревающих плазму катушек. Их делают на основе уникальных сплавов ниобий-олово и ниобий-титан на Чепецком механическом заводе в Удмуртии. Всего же Россия должна поставить в Кадараш полную диагностическую аппаратуру (за ее разработку ученые ФТИ им. А. Ф. Иоффе получили престижную премию имени им. Арцимовича), очень важную и дорогую систему электропитания, дополнительного нагрева плазмы, элементы вакуумной камеры, дивертора и бланкета и многое другое. Этот вклад нашей страны составляет 10 процентов от стоимости сооружения реактора по техническому проекту. По самым скромным подсчетам, странам, участвующим в его создании, проект обойдется в 15 миллиардов евро (почти половину из которых заплатит ЕС).
Между тем ближайшие перспективы обретения нового источника энергии пока неясны, и это при наличии четкой «дорожной карты». По ней итэровцы на 2025 год запланировали запуск реактора и получение первой плазмы, а на 2050-й – «появление» термоядерного электричества. Получится выполнить эти задачи в срок – неизвестно. Но главное все-таки в настоящий момент – это доказать саму возможность создания термоядерной электростанции, построить ее прототип и провести на нем ряд испытаний. И лишь тогда станет понятно, сможем ли мы воспользоваться энергией термоядерного синтеза для получения электричества в промышленных масштабах.
Формула спасения
«Мой отец ездил на верблюде. Я обзавелся автомобилем, а мой сын уже управляет самолетом. Но вот его сын вновь пересядет на верблюда». Эта популярная в Саудовской Аравии шутка давно стала самой известной метафорой грядущего энергетического кризиса. С каждым годом человечество потребляет все больше энергии. По данным Международного агентства по энергетике, рост энергопотребления к 2030 году по сравнению с показателями 2006 года составит 50 процентов. Учитывая, что 87 процентов используемых сейчас энергоресурсов не возобновляемы, прогнозы на будущее вызывают справедливые опасения. Что же будет дальше?
ИТЭР должен дать исчерпывающий ответ на этот вопрос. Впрочем, уже сейчас можно сказать о том, что формула энергетической безопасности известна. Осталось найти возможности для ее практического воплощения.
В самом деле, теоретически все более-менее понятно: на ИТЭР планируется получать энергию путем термоядерного синтеза, то есть в результате сплавления ядер двух легких атомов в тяжелые. Процесс синтеза приводит к образованию химически инертного гелия и сопровождается выделением колоссального количества энергии – в сотни раз большего, чем при расщеплении урана на атомных электростанциях. При этом, в отличие от ядерного реактора, термоядерный совершенно безопасен: во-первых, потому что синтез труднее поддерживать, чем остановить, и при малейшей аварии он моментально прекращается, а во-вторых, топливом для термоядерного реактора является не уран, а обычная вода, вернее, извлекаемый из нее тяжелый изотоп дейтерий. В каждом кубометре воды содержится 33 грамма дейтерия – этого достаточно, чтобы посредством термоядерной реакции получить столько же энергии, сколько выделится при сжигании 200 тонн бензина.
– Однако, – уточняет Красильников, – нужная реакция произойдет только тогда, когда дейтерий сплавится с тритием. Для ИТЭР трития потребуется совсем немного – около килограмма в год. К сожалению, в природе он практически отсутствует, так как быстро распадается. Зато его легко воспроизвести в самом реакторе, добавив туда литий.
– А с литием на Земле есть проблемы?
– Никаких. Разведанные запасы этого щелочного металла на суше составляют около 11 миллионов тонн, а в морской воде его в 20 тысяч раз больше – такого количества при нынешнем объеме энергопотребления должно хватить на миллионы лет.
Как я поняла, сырьем для термоядерного синтеза человечество обеспечено сполна. Дело за малым: построить реактор, который сможет вырабатывать энергии больше, чем требуется для поддержания синтеза. Но для этого необходимо соблюсти как минимум два трудновыполнимых условия: установить температуру в реакторе порядка ста миллионов градусов (к слову, Солнце «разогревается» всего до 15 миллионов) и при этом как можно дольше удерживать образовавшуюся от сплава дейтерия и трития плазму.
Собственно, именно эти проблемы до сих пор не позволили использовать термоядерную реакцию для выработки электроэнергии. А ведь ученые бьются над их решением уже больше 60 лет.
Ловушка для плазмы
Сейчас максимальное время поддержания реакции, которое, кстати, было зафиксировано на ToraSupra в Кадараше, составило всего шесть с половиной минут. На ИТЭР рассчитывают удержать плазму в течение 10 минут – и это будет настоящей победой. Как и получение температуры в 200 миллионов градусов: на первых установках она не доходила и до миллиона.
Что до мощности строящегося экспериментального реактора, то она составит 500 МВт. Всего 500, если сравнивать с современными электростанциями. Или целых 500, если иметь в виду показатели самых мощных термоядерных установок в мире (нынешний рекорд принадлежит британской JET – 16 МВт). В конце концов, 500 МВт – не так уж и мало, ведь для получения этой энергии не нужно бурить скважины или перегораживать реки, загрязнять землю радиоактивными отходами или жечь уголь.
Если на ИТЭР все получится, то появится надежда начать массовое строительство термоядерных электростанций уже в этом веке. И хотя ученые по-прежнему отказываются называть точные даты запуска реактора и, тем более, не берутся предсказывать, когда на Земле наступит эра мирного термояда, можно с уверенностью утверждать: обратный отсчет уже начат.
Любовь ПЕШКУНОВА.
