Все гениальное просто. Все, что просто, – гениально. Молодые ученые австриец Хоутерманс и англичанин Аткинс прогуливались как-то в знойный день по тропинкам университетского городка Георгии-Августы в древнем городе Геттингене. Они ругали жару и отсутствие придорожных пивных, где бы могли утолить жажду. Прервав свой панегирик английскому элю, Аткинс неожиданно спросил: «Как вы думаете, коллега, что происходит на Солнце, почему его энергия неистощима?» Завязался ученый спор. В тот день двое высоколобых предположили, что неиссякаемость солнечной энергии зависит от слияния атомов легких элементов – водорода и гелия. Под воздействием невероятной силы тяжести на самой ближайшей к нам звезде – Солнце они сжаты настолько, что их ядра, преодолевая такую же невероятную силу отталкивания, все-таки сближаются, порождая реакцию синтеза, то бишь слияние. Другими словами, на нашем светиле происходит термоядерная реакция, энергия которой породила и поддерживает жизнь на Земле.
В 1934 году английский астрофизик Артур Эддингтон выпустил книгу «Новые пути в науке», в которой рассуждал о возможностях проведения термоядерной реакции на земле, для чего предполагалось использовать тритий – изотоп водорода. Поджечь такое топливо, по мнению астрофизика, можно, только сильно сжав водород. В той же книге впервые прозвучало предупреждение о том, что такие реакции могут быть использованы и для создания невиданного доселе оружия. Что спустя двадцать лет и произошло…
Как ни парадоксально, но в Советском Союзе идея управляемого термоядерного синтеза впервые была предложена простым солдатом Олегом Лаврентьевым, служившим на Сахалине в воздушной разведке. Это он написал письмо Сталину: «Дорогой Иосиф Виссарионович, я знаю, как сделать водородную бомбу. Уверен, что она взорвется и станет надежной защитой от посягательств империалистов на СССР...»
К сожалению, письмо это затерялось. Не дождавшись ответа, спустя несколько месяцев Лаврентьев отправил аналогичное письмо в ЦК ВКП(б). Автором заинтересовался куратор атомного проекта Берия. Он пригласил его к себе на прием и познакомил с Андреем Сахаровым, который рецензировал письмо этого самородка. Как пишет физик Станислав Пестов в книге «Бомба: три ада ХХ века» – «Термояд»: «По поводу предлагавшегося там проекта водородной бомбы Сахаров ничего не сказал, речь шла только о второй части письма, где была обоснована идея управляемого термоядерного синтеза. Эту идею, после некоторой модернизации, Сахаров впоследствии посчитал своей и только спустя десятилетия признал, что автор открытия – Лаврентьев. История эта до сих пор не закончена, поскольку теперь необходимо официальное подтверждение авторства». Как бы то ни было, почти все предложения прозорливого солдатика, впоследствии ставшего крупным ученым, так или иначе были реализованы.
Несколько страничек этого письма с наивным чертежом попали в группу, которую возглавлял Игорь Тамм. И он увидел в них «зерно». Вот оно – спасительное решение – плазму можно удержать магнитным полем. МТР – так окрестил Игорь Тамм предложенную его группой идею реактора в виде кольца, бублика – тороидальной камеры с магнитным полем. Так родилась новая отрасль фундаментальной науки – управляемый термоядерный синтез (УТС).
У военных, как известно, на создание водородной бомбы ушло более десяти лет. Сравнительно быстро после взрыва атомной бомбы мирный атом стал крутить лопасти первой АЭС. А вот с управляемым термоядерным синтезом быстро не получилось. Над ним ученые всего мира бьются уже полвека.
Проблема МТР стала активно обсуждаться в кругах физиков-ядерщиков, естественно, под грифом «Совершенно секретно».
Руководитель атомной программы Игорь Курчатов горячо поддержал идею управляемой термоядерной реакции. Ученые обратились к Берии с просьбой подготовить проект постановления Совета министров СССР о мероприятиях, обеспечивающих постройку модели магнитного термоядерного реактора. Такое большое внимание к термояду было продиктовано, конечно же, не энергетическими потребностями государства, а неотложной задачей обеспечения безопасности страны в связи с началом «холодной войны», которая грозила перерасти в «горячую».
Дополнительным толчком к началу работ по термоядерной проблеме послужило заявление, сделанное весной 1951 года президентом Аргентины Хуаном Перроном. В нем сообщалось «об успешном контролируемом высвобождении атомной энергии при сверхвысокой температуре в миллион градусов без использования уранового топлива». В исследовательском центре Аргентины физик Рихтер получил нейтроны – главное свидетельство термоядерной реакции в разогретой плазме. И хотя вскоре выяснилось, что в Аргентине приняли желаемое за действительное, делу был дан ход. Сталин подписал постановление «О проведении научно-исследовательских и экспериментальных работ по выяснению возможности осуществления магнитного термоядерного реактора». Научным руководителем новой темы был утвержден член-корреспондент АН СССР Лев Арцимович, его заместителем по теоретической части – молодой кандидат физико-математических наук Андрей Сахаров. На термоядерные исследования впервые было выделено 10 млн. рублей – очень большая по тем временам сумма.
Штурм термоядерной крепости начался. Современный «токамак» создавался шаг за шагом. По мере понимания физики происходящих процессов появлялись новые идеи, новые комбинации. Шло соревнование различных подходов к разгадке термоядерной проблемы. Строились (слова-то какие!) стеллараторы разных типов (замкнутые ловушки), открытые ловушки, мультиполи, пинчи. Термояд завораживал умы; интеллектуальная молодежь ринулась покорять физику. Это о том времени поэт Борис Слуцкий писал:
«Что-то физики в почете,
Что-то лирики в загоне…»
«Токамаки» на этой ярмарке идей не выделялись. Но вот в 1960 году под руководством Натана Явлинского был построен «токамак-3» (исторический, по мнению ученых). На нем начались первые физические эксперименты. К сожалению, талантливый конструктор Явлинский погиб при аварии самолета в 1962 году над Адлером.
В 1968 году на «токамаке» были получены обнадеживающие результаты.
Со временем такие установки стали основным направлением в исследованиях по УТС во всех передовых странах, самые крупные из них – ТФТР (США), ДЖЕТ (ЕС), «Джити-60» (Япония), «Токамак-15» (Россия).
С самого начала работ по УТС стало ясно, что создание термоядерного реактора не под силу даже сверхдержаве, трудись она на этом поприще в одиночку. Но объединить усилия всей мировой физики часто мешала политика.
Наконец, когда «холодная война» пошла на убыль, Михаил Горбачев в 1985 году предложил эту идею Франсуа Миттерану. Тот ее поддержал, а позже США, Япония и Канада заявили о своей готовности сотрудничать. Так появился совместный проект – Международный экспериментальный ядерный реактор – ИТЭР. Как заявил еще в 1997 году автору этих строк академик Велихов: «Он будет построен на пределе физики и технических возможностей, накопленных за это время человечеством. Человеку с обычным мышлением трудно представить себе, что в течение длительного времени в установке может поддерживаться температура в несколько сот миллионов градусов, в то время как температура стенки на расстоянии какого-то метра составляет всего лишь четыре градуса по Кельвину».
Путь ИТЭР оказался, а иначе и быть не могло, тернистым. В 1992 году, после того как его цели были сформированы, началось уточнение технических деталей. Возникли споры о месте строительства. В самом начале предпочтительной считалась канадская территория: там сосредоточены серьезные запасы трития – самого труднодоступного компонента ядерного топлива. Долгое время он накапливался в качестве побочного продукта в энергетических реакторах CANDU. Потом на площадку строительства стала претендовать Япония. Неожиданный демарш сделали США – они решили выйти из проекта. Свой уход из клуба они объяснили наличием собственной концепции по термояду. Хотя некоторые ученые считают, что уход американцев был продиктован в первую очередь «местечковыми интересами». (Позже, взвесив все «за» и «против», США все-таки вернулись в команду.)
Аргументами в пользу выбора других мест служила атомная инфраструктура. Рядом с будущим реактором должна находиться обычная электростанция, энергией которой будут разогревать плазму до требуемой температуры. Среди кандидатур числились Роккасё в японской префектуре Аомори, Ванделлос в Испании и Кадараш во Франции.
И все же после долгих «боданий» в конце марта этого года в Москве министры Японии, России, США, Евросоюза, Южной Кореи и Китая (последние две страны присоединились к ИТЭР недавно) определили дальнейшую судьбу одного из самых громких проектов.
Победителем стал Кадараш, небольшой городок недалеко от Марселя. С 1988 года там работает «токамак» на сверхпроводниковых магнитах, родственный будущему реактору. Есть атомная электростанция и исследовательский центр. Евросоюз «приобрел» обязанность взять на себя половину всех расходов, а они немалые – около 5 миллиардов долларов. Во столько же обойдется и его использование в течение нескольких лет.
Впечатляют и размеры этой махины. Диаметр реактора – 40 метров и примерно такая же высота, занимаемая площадь –
Слово «токамак», как и «спутник», стало международным. Хотя большинство специалистов считают, что первым Демонстрационным термоядерным реактором (ДЕМО) будет реактор на основе «токамака», никто не сможет дать гарантию, что первая промышленная термоядерная электростанция (ТЯЭС) будет построена на этом принципе.
Зачем же человечеству нужен ИТЭР?
От ответа на вопрос, будет ли освоена ядерная энергетика и как скоро, зависит судьба нашей цивилизации, считают ученые.
По разным прогнозам, основные источники энергии закончатся через 50–200 лет. Запасы нефти человечество исчерпает лет через 40, газа – максимум через 80, а урана – через 80–100 лет. Запасов угля может хватить лет на 400, но использование этого органического топлива, причем в качестве основного, ставит планету за грань экологической катастрофы. Страны – участницы Киотского протокола, обсуждая проблемы выживания человечества, «угольные» выбросы поставили в разряд самых опасных факторов. Если сегодня не остановить столь нещадное загрязнение атмосферы (а именно угольные станции служат главным источником ее загрязнения, причем выбрасывают радиоактивных веществ в десятки раз больше, чем АЭС), ни о каких столетиях не может быть и речи. А значит, альтернативный источник энергии нам необходим уже в обозримом будущем.
И такой источник, в принципе, есть. Это – термоядерная энергетика, в которой используется абсолютно нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий, но в объемах в тысячи раз меньших, чем в атомной энергетике. А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не превысит природных показателей. При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.
И источник этот практически неисчерпаем, он основан на столкновении ядер водорода, а водород – самое распространенное вещество во Вселенной.
Казахстан в программе ИТЭР до последнего времени участвовал в квоте с Россией на стадии инженерного проекта. Теперь каждый работает на себя.
Задание, которое получили наши физики, – изучение процессов накопления водорода и гелия в материалах первой стенки. Вторая часть программы касалась безопасности реактора, что произойдет с двойной структурой бериллий-медь при срыве плазмы. Все эти работы проводились в активной зоне реакторов Курчатова и лаборатории конструкционных материалов ядерных энергетических установок российского НИИ ЭТФ при Казку под руководством Ирины Тажибаевой. Полученные результаты имеют большое значение при решении как технологических, так и экологических вопросов при создании ИТЭР. Они получили высокую оценку директора проекта Р. Аймара. Сначала предполагалось, что на Ульбинском металлургическом заводе будет производиться сверхпроводящая проволока для будущего термояда. Увы, теперь этот уникальный сверхпроводник будут изготовлять в России.
Зато АО «Ульба» обладает другим уникальным производством – бериллия, который выбран для изготовления бланкета – первой стенки реактора. А его понадобится 20 тонн. У Казахстана есть прекрасный шанс получить этот почетный заказ.
– Быть поставщиком двора его величества ИТЭР – лучшая репутация, о которой можно только мечтать, – часто любит повторять академик Велихов.
В 1998 году в Алматы на встрече Азиатского фонда термоядерных исследований под председательством этого ученого родилась идея строительства в Казахстане плазменной установки «Токамак», на которой ученые могли проводить материаловедческие исследования в поддержку проекта ИТЭР. Эту идею поддержал и обещал необходимую поддержку Нурсултан Назарбаев. Президент сдержал свое слово. Казахстанский «Токамак материаловедческий» – таково полное название проекта, войдет в строй в будущем году. Вполне вероятно, что проводить опыты на нем будут специалисты из других стран по своим программам.
– Это будет очень недорогая машина с очень хорошими показателями, – говорит исполнительный директор ИТЭР по Казахстану Владимир Шестаков. – Наша задача сделать так, чтобы она была лидером не только в испытаниях применительно к ИТЭР, но и в абсолютно новых, прорывных областях ядерной физики.
Участие в международной программе позволит поднять научный престиж Казахстана, обеспечит сохранение научных центров, создаст предпосылки для освоения новых наукоемких технологий.
Сергей Борисов, Алматы
Информационное агентство