• +7 (495) 911-01-26
  • Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Долгострой искусственного солнца

Долгострой искусственного солнца

В конце прошлого года на фоне серьёзного противостояния между нашей страной и фактически блоком НАТО прошло незамеченным вроде бы сенсационное событие, которое могло 

подвести черту под семидесятилетними международными усилиями по созданию промышленного использования управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Автор материала: Марина Геворкян

Были, конечно, отдельные публикации в прессе в духе «началась новая эра», в которых речь шла о заявлении американских учёных из Ливерморской национальной лаборатории имени Э. Лоуренса о том, что им удалось провести реакцию термоядерного синтеза, при этом на выходе было получено больше энергии, чем затрачено на её запуск. Неужели вот-вот сбудется мечта, как сказали бы в старину, «прогрессивного человечества» о дешёвой и экологически абсолютно чистой энергии, которая решит почти все проблемы обитателей нашей планеты? Ведь из года в год переносились сроки запуска экспериментального реактора, в котором собирались получить всего лишь устойчивый процесс УТС, пусть даже затраты превышали бы стоимость полученного электричества. Сама возможность создания такого реактора придала бы мощный импульс доведению его до нужных параметров решением исключительно технологических задач. Но вскоре выяснилось, что ливерморцы вроде бы к успеху шли, но что-то с УТС не получилось. Да и «успех» лежал совершенно в другой области… Но прежде чем перейти к деталям эксперимента в Ливерморе, вспомним, как всё начиналось.

 1

А началось всё с того, что на определённом этапе развития науки учёные попытались разобраться, почему светит Солнце (а также звёзды). Одним из первых был Герман Гельмгольц (1821–1894), немецкий физик и врач, член различных академий, в том числе и Петербургской академии наук. Наряду с множеством изобретений и открытий он выдвинул гипотезу о том, что возраст Земли составляет 22 миллиона лет, а Солнце светит из-за сил гравитации, то есть такого сильного сжатия из-за притяжения, что материя светила разогревается до высоких температур. Потом начинает медленно остывать, и светить ему осталось около 15 миллионов лет. Концепцию Гельмгольца развил его современник, британский физик и инженер Уильям Томсон (он же – лорд Кельвин, 1824–1907), который продлил «жизнь» Солнца и звёзд до 100 миллионов лет.

                У просвещённого читателя так называемый «механизм Гельмгольца–Кельвина» может вызвать снисходительную улыбку, но не будем забывать, что именно гравитационный разогрев на каком-то этапе и «зажигает» термоядерные процессы, которые в итоге превращают большие массы вещества в яркие светила. Понимание процессов, идущих в недрах звёзд, резко ускорилось после открытия в 1896 году французским фотографом Анри Беккерелем радиоактивности. Точнее, сам термин «радиоактивность» ввела Мари Склодовская-Кюри, которая вместе со своим супругом Пьером Кюри продолжала исследования этого явления, приведшие к обнаружению радиоактивности тория и открытию полония и радия. В 1903 году супруги Кюри и Беккерель получили Нобелевскую премию по физике, и в этом же году Эрнст Резерфорд (1871–1937) впервые экспериментально доказал, что радиоактивность – это самопроизвольный переход одних элементов в другие.

                В 1920 году британский астрофизик Артур Эддингтон (1882–1944) выдвинул гипотезу, что звёзды излучают энергию за счёт синтеза водорода в гелий. Теория Эддингтона была впервые опубликована в 1926 году, и его труд «Внутреннее строение звёзд» стал основой современной теоретической астрофизики. А в 1934 году Резерфорд, Марк Олифант и Пауль Хартек провели реакцию ядерного синтеза, в которой два атома тяжёлого водорода дейтерия (тяжёлого изотопа водорода) образовали атом гелия с попутным выделением энергии. В 1941 году Мартин Шварцшильд (кстати, сын знаменитого Карла Шварцшильда, «отца чёрной дыры») рассчитал модель Солнца с термоядерным источником энергии и предсказал некоторые наблюдаемые свойства Солнца.

                Теоретическая основа термоядерного синтеза (ТС) была оформлена перед началом Второй мировой войны и рассматривалась как сугубо научная концепция, не имеющая практического применения. В отличие от засекреченных к этому времени проектов по созданию ядерного оружия в США, Англии и Германии.

                Напомним, что при ядерной реакции ядро тяжёлого элемента (например, урана 238 или плутония) расщепляется на два новых, более лёгких элемента, а при термоядерной, наоборот, из двух ядер (например, водорода) получается один, но более тяжёлый (например, гелий). В обоих случаях выделяется большое количество энергии.

 2

                История создания ядерного и термоядерного оружия описана во множестве фильмов и книг, тогда как проблема УТС – в основном в научных публикациях. Это вполне объяснимо: после появления атомных и водородных зарядов существование человечества несколько раз висело на волоске. Психологи и психиатры могут объяснить механизмы щекочущего воображение страха, опасливого любопытства по отношению к возможному апокалипсису и прочих проявлений интереса к роковым последствиям ядерного армагеддона. Нам же достаточно вспомнить, как быстро пролетело время от первых сообщений о возможности создания ядерного оружия до его реализации в «железе».

                Первыми начали немцы. Профессор Гамбургского университета Пауль Хартек, не так давно сотрудничавший с Резерфордом, в апреле 1939 года вместе со своим коллегой написал письмо в высшие военные инстанции Германии. В письме говорилось о возможности создания принципиально нового оружия, и «та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретёт абсолютное превосходство над другими». Это были не пустые обещания – в конце 1938 года немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман открыли деление ядер урана, тем самым, как потом образно говорилось в разных произведениях, выпустили атомного джинна из бутылки. Американская разведка сработала быстро. Власти поначалу отмахнулись от этой информации, тем более что её поначалу не засекретили, но в августе 1939 года Альберт Эйнштейн по инициативе нескольких учёных-эмигрантов направил письмо президенту Рузвельту, в котором говорилось о научных изысканиях Германии и опасности получения первой атомной бомбы нацистами.

                У нас инициатором атомного проекта стал выдающий учёный Георгий Николаевич Флёров (1913–1990), один из крупнейших ядерных физиков XX века, соавтор первой советской атомной бомбы и открытий целого ряда новых элементов. В 1936 году Флёров начал работать в лаборатории И.В. Курчатова, а затем перешёл в его группу в Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе.

В 1939–1940 годах Флёров вместе с Львом Русиновым обнаружил, что при делении ядра урана испускается более двух нейтронов, а в 1940 году совместно с Константином Петржаком открыл новый тип радиоактивных превращений – спонтанное деление ядер урана. После начала войны ушёл добровольцем в армию, участвовал в боях по защите Ленинграда, затем был призван на учёбу в Военно-воздушную академию и служил в войсках противовоздушной обороны в Воронеже. В своё время в научной среде ходили рассказы о том, что именно письмо Флёрова лично Сталину незамедлительно привело к началу работ по атомной тематике. Известно, что Флёров действительно писал такое письмо, но только после того как его неоднократные обращения в течение полугода к своему армейскому начальству, а затем к Курчатову и Сергею Кафтанову, уполномоченному по науке в составе Государственного комитета обороны, ни к чему не привели.

                Дело в том, что время от времени ему удавалось посещать библиотеку, и, пролистывая свежие номера научной периодики, он обратил внимание, что в зарубежных журналах полностью исчезли публикации по ядерной физике. В письме Кафтанову он приводит веский довод: «Это молчание не есть результат отсутствия работы; не печатаются даже статьи, которые являются логическим развитием ранее напечатанных, нет обещанных статей, словом, на этот вопрос наложена печать молчания, и это-то является наилучшим показателем того, какая кипучая работа идёт сейчас за границей». А в письме Курчатову он впервые обосновывает одну из «рабочих» моделей бомбы, так называемую «пушечную схему». К этому времени советская разведка получила информацию о том, что США и Великобритания разрабатывают атомную бомбу. Разведчики попросили Академию наук оценить такую возможность. Ответ был предельно осторожным: «Сообщаем, что Академия наук не располагает никакими данными о ходе работ в заграничных лабораториях по проблеме использования внутренней энергии, освобождающейся при делении урана. За последний год в научной литературе почти совершенно не публикуются работы, связанные с решением этой проблемы. Это обстоятельство единственно <…> даёт основание думать, что соответствующим работам придаётся значение и они проводятся в секретном порядке».

                На принятие решения, вероятно, повлияла и так называемая «тетрадь Ганса Вандервельде», немецкого физика-ядерщика в чине майора, убитого где-то под Таганрогом. Тетрадь с записями и чертежами попадает в итоге в руки легендарного разведчика-диверсанта Ильи Старинова и доходит до Кафтанова. По некоторым версиям, Кафтанов вызывает Флёрова и показывает ему записи Вандервельде. Ознакомившись с ними, Флёров сообщает, что немцы уже создали реактор и скоро создадут бомбу. Насколько эта история соответствует реальности – судить трудно. Тем не менее вскоре выходит распоряжение Государственного комитета обороны за подписью Сталина, в котором, в частности, говорилось: «Обязать Академию наук СССР возобновить работы по исследованию осуществимости использования атомной энергии путём расщепления ядра урана и представить Государственному комитету обороны к 1 апреля 1943 года доклад о возможности создания урановой бомбы или уранового топлива». Ну а там и некоторые сочувствовавшие нам учёные из «Манхэттенского проекта» поделились конкретной информацией…

 3

                Темпы создания термоядерной бомбы не уступали гонке по атомному проекту. Тем более что коллективы учёных, технологов и производственников уже были, методы работы с радиоактивными вещества отработаны и опирались на серьёзную материально-техническую базу, а вычислительные машины хоть и находились в эмбриональном состоянии, ненамного превосходя арифмометры, облегчали сложные расчёты реакций. После атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в августе 1945 года американцы были уверены, что СССР сможет получить свою бомбу в лучшем случае в середине 50-х, и были неприятно удивлены, когда первые советские ядерные заряды были испытаны в 1949 году. А с водородной бомбой так вообще получилось интересно.

                Идеи использования энергии синтеза ядер витала в головах учёных давно. В 1941 году японский физик Токутаро Хагивара из Киотского университета предположил, что термоядерную реакцию между ядрами водорода можно инициировать с помощью цепной реакции деления ядер урана. В том же году аналогичную идею инициации термоядерного синтеза с помощью атомного заряда выдвинул итальянский физик Энрико Ферми. Об этой идее в начале Манхэттенского проекта узнал от Ферми американский физик Эдвард Теллер (считающийся «отцом» американской водородной бомбы). И хотя Теллер находился в составе исследовательской группы по созданию ядерной бомбы в Лос-Аламосе, часть свой деятельности на протяжении десяти лет он посвятил именно этой идее. В 1942 году, когда в Лос-Аламосе ещё только обсуждали направления работ по атомному проекту, учёные уже рассматривали проблему создания более мощной бомбы на основе дейтерия.

                Решающие подвижки в этом направлении были сделаны сотрудником Теллера, польским математиком Станиславом Уламом. Именно Улам предложил сжимать активное вещество до начала его нагрева, использовав для этого рентгеновское и гамма-излучение атомного взрыва, при этом термоядерный заряд должен быть размещён отдельно от ядерного «детонатора». Грубо говоря, сначала взрывается атомная бомба, и до того, как её энергия разнесёт всё в пух и прах, излучение успеет произвести имплозию, то есть сжатие заряда, и вызовет реакцию синтеза атомов. Наподобие того, как гравитация запускает аналогичную реакцию в звёздах. К 1945 году эта схема была проработана, и о готовности начать её реализацию доложили начальству. Но решение было принято только после того, как СССР испытал свою атомную бомбу. Официально о начале работ по термоядерной программе заявил президент Гарри Трумэн в начале 1950 года.

В основу этой программы легли идеи Теллера и Улама. К этому времени они произвели расчёты того, как рентгеновское излучение от подрыва атомного заряда передаётся по особому каналу (в основном – прозрачному для этих лучей полимеру) на капсулу из урана (или свинца) с термоядерным горючим. Уран поглощает излучение и превращается в плазму, до тысячи раз сжимая горючее и разогревая его до миллионов градусов. Однако и этого недостаточно для начала реакции, поэтому её «подогревают» стержнем из плутония в центре капсулы. Сжатый плутоний переходит в критическое состояние, и начинается цепная реакция, увеличивая общую температуру.

В итоге программу завершили взрывом в ноябре 1952 года на атолле Эниветок (Маршалловы острова) первого термоядерного устройства «Айви Майк» (англ. Ivy Mike) мощностью 10,4 мегатонны. Впрочем, бомбой назвать этот «сарай» нельзя было при всём желании – устройство представляло собой криогенную ёмкость со смесью жидкого дейтерия и трития и обычный атомный заряд, расположенный сверху, общей массой 62 тонны. В центре ёмкости разместили плутониевый стрежень, а компоненты термоядерного заряда находились в общей оболочке из урана массой 4,5 тонны. Довели до более-менее транспортабельного состояния это устройство в 1954 году, ужав «Айви Майк» до 19 тонн, а первый сброс бомбы с самолёта произвели в мае 1956 года. Тогда как первая советская термоядерная бомба, пригодная для доставки к цели на стратегическом бомбардировщике, была испытана 12 августа 1953 года.

 4

Сведения об американских работах над термоядерным оружием начали поступать в СССР в 1947 году, а через год от разведки уже пошла точная информация о некоторых конструктивных решениях и полученных результатах во время экспериментов. Так как у нас возможность создания такой бомбы исследовалась с середины 1945 года, то эти данные лишь ускорили принятие нужных решений. В феврале 1950 года Совет Министров СССР принимает секретное постановление, в которым обозначаются сроки и условия создания отечественной термоядерной бомбы (ТБ): она должна была быть готова и испытана в 1954 году. Весной того же 1950 года начались практические работы. Группа учёных, в число которых входили такие в будущем знаменитые деятели науки как Юрий Романов, Андрей Сахаров и Игорь Тамм, переехала в Арзамас-16 (ныне Саров) и в течение трёх с небольшим лет создала эффективную схему советской ТБ. Надо отметить, что в Арзамасе-16 в начале 50-х развивались два направления: «труба» и «слойка». «Труба», или, как её называли, «труба Зельдовича» – по имени выдающегося советского физика, представляла собой аналог американского варианта с жидким дейтерием, но габариты такого устройства, естественно, ни в какие ворота, и тем более в бомболюки, не лезли. Подсказка пришла откуда не ждали. И опять, по воспоминаниям некоторых участников проекта, сработало «письмо Сталину».

Отправил это письмо советский учёный, доктор физико-математических наук Олег Александрович Лаврентьев (1926–2011). До начала войны Олег закончил семь классов школы в Пскове, уже в то время проявлял интерес к популярной литературе по ядерной физике. После освобождения города от оккупантов в возрасте 18 лет пошёл добровольцем на фронт. Участвовал в боях за освобождение Прибалтики. После войны продолжил срочную службу в городе Поронайске на освобождённом от японцев Сахалине. В воинской части он занимался самообразованием, пользуясь технической библиотекой и вузовскими учебниками, подписался на журнал «Успехи физических наук». В 1948 году командование части поручило младшему сержанту Лаврентьеву подготовить лекцию по ядерной физике. Именно тогда он 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 тяжёлого машиностроения ЦК секретной почтой. Лаврентьев предлагал схему ТБ на основе дейтерида лития, которая позволяла избавиться от большого количества жидкого дейтерия. Андрей Сахаров сразу уловил изюминку этой идеи, и в рецензии на работу Лаврентьева в частности отметил: «Я считаю необходимым детальное обсуждение проекта тов. Лаврентьева. Независимо от результатов обсуждения необходимо уже сейчас отметить творческую инициативу автора». В воспоминаниях участников проекта говорится о том, с каким удивлением Сахаров и его руководитель Тамм восприняли подсказку, открывающую путь к «сухому» варианту ТБ. В итоге эту модель назвали «Слойкой» (отсюда «с» в названии бомбы РДС-6с), поскольку Сахаров предложил окружить термоядерное горючее – дейтерий – ураном-238, собрав несколько таких «слоёв». Устройство получалось относительно компактное и вполне транспортабельное в виде бомбы.

Самое интересное, что во второй части своей работы Лаврентьев описывает способ получения электроэнергии в управляемой термоядерной реакции. Для этого он впервые в мире предлагал создание термоядерного реактора для промышленной цели. После того как Сахаров и Тамм обсудили это предложение, они сформулировали принципы термоизоляции плазмы магнитным полем и рассчитали первые модели магнитного термоядерного реактора (МТР) тороидальной формы, который впоследствии стал известен как ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками; термин был предложен учеником академика Курчатова, физиком Игорем Головиным, и первоначально он звучал как «токамаГ», но прижился вариант с буквой «к»), наиболее перспективным направлением развития работ по УТС сначала в нашей стране, а затем и во всём мире. Но об этом чуть позже…

Лаврентьева вызывают в Москву, он поступает в МГУ, в Кремле встречается с Сахаровым, который предлагает сотрудничество, но обстановка в стране вскоре меняется. Незадолго до этого, в 1951 году, Лаврентий Берия пишет письмо Ванникову, Завенягину и Курчатову, в котором, в частности, говорится: «Мы не должны забыть студента МГУ Лаврентьева, записки и предложения которого, по заявлению т. Сахарова, явились толчком для разработки магнитного реактора… Я принимал т. Лаврентьева. Судя по всему, он человек весьма способный. Вызовите т. Лаврентьева, выслушайте его и сделайте совместно с т. Кафтановым С.В. (министр высшего образования СССР) всё, чтобы помочь т. Лаврентьеву в учёбе и, по возможности, участвовать в работе. Срок пять дней». Однако через два года, после смерти Сталина и хрущевского переворота, судьба Лаврентьева, которого считали любимчиком Берии, меняется в худшую сторону. Ему перестали выплачивать повышенную стипендию, обязали платить за обучение в университете. Под предлогом того, что его отец был репрессирован, лишили допуска секретности. Комнату, которую Олег получил по личному распоряжению Берии, отобрали. Весной 1956 года Лаврентьев уезжает в Харьков, в физико-технический институт, где и работает до конца жизни.

 5

Итак, мы подошли непосредственно к управляемому термоядерному синтезу, который, напомним, отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются ядра более лёгкие. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления УТС, предполагается применение дейтерия и трития, а в перспективе – гелия-3 и бора-11. Самой популярной на протяжении многих лет технологией считался магнитный УТС. Речь идёт об уже упомянутых токамаках.

Идея заключалась в том, чтобы создать магнитное поле, которое будет удерживать высокотемпературную плазму от соприкосновения со стенками тороидальной камеры, где будет протекать реакция термоядерного синтеза. Температура реакции достигает нескольких миллионов градусов, и её контакт с любым материалом приведёт к расплавлению стенок и затуханию процесса синтеза. Для создания внутри токамака магнитного поля составляются секции, внутри которых намотаны катушки. Катушки идут по всей длине камеры и создают замкнутый тороидальный тоннель – рабочую зону. Затем из этой камеры откачивают воздух, заменяя его смесью дейтерия и трития. Напомним, что дейтерий – изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, а у трития ядро состоит из протона и двух нейтронов. Это относительно дешёвое топливо: дейтерий содержится в морской воде, а тритий синтезируется вполне доступным способом. После этого в камере создаётся вихревое электрическое поле, которое поддерживает плазму внутри камеры, а заодно разогревает её, доводя до температуры в несколько миллионов градусов.

Первый действующий токамак был построен у нас в 1954 году, и до 1968 года мы были монополистами, поскольку зарубежные учёные не верили в возможность создания в камере такой высокой температуры. И лишь после того как Институт атомной энергии имени И.В. Курчатова посетила английская делегация и зафиксировала на своём оборудовании в токамаке Т-3 температуру 11,6 миллиона градусов Цельсия, началось повсеместное строительство токамаков. Однако к промышленному УТС так и не подошли, несмотря на успехи как в повышении градусов, так и в долговременном удержанию плазмы. Расходы на поддержание реакции пока превышают отдачу.

Большие надежды связывали с проектом ИТЭР (ITER, англ. International Thermonuclear Experimental Reactor – Международный экспериментальный термоядерный реактор). В проекте участвуют десятки стран, в том числе и Россия. Проект разрабатывается с середины 1980-х годов, сооружение планировалось закончить в 2016 году, но теперь говорят в лучшем случае о 2025-м, а выход на полную мощность – где-то в 30-х годах. Реактор сооружается во Франции, на Лазурном берегу. Несмотря на санкции, Россия продолжает участвовать в проекте, и буквально на днях морским путём из Санкт-Петербурга отправили двухсоттонную сверхпроводящую катушку. «Россия вкладывает девять процентов, а получит 100 процентов технологий в соответствии с соглашением, поэтому – это 11-кратный усилитель наших технологических и научно-технических усилий, который вернётся в нашу страну», – отметил директор частного учреждения «ИТЭР-Центр» («Росатом») Анатолий Красильников. Тут, конечно, возникает множество вопросов насчёт получения технологий – обман со стороны западных «партнёров» стал своего рода привычным делом. Но суть даже не в этом – не исключено, что получить избыточную энергию посредством удержания плазмы не гравитацией, как на Солнце, а магнитным полем, не получится в принципе. Но смогут ли учёные признаться, что годы ожиданий и безумные средства были потрачены… нет, не впустую, было получено много знаний в области процессов, идущих в плазме, в области материаловедения и т.п. Но рукотворное солнце вряд ли нам светит в ближайшие годы.

 6

Другой путь – и вот тут мы подошли к экспериментам в Ливерморе – это инерциальный УТС. Речь идёт о таком виде термоядерного синтеза, при котором термоядерное топливо удерживается собственными силами инерции. Идея заключается в быстром и равномерном нагреве термоядерного топлива, так, чтобы образовавшаяся плазма до разлёта успела прореагировать, то есть мы получим импульсный реактор.

Например, на установке, в которой разогрев и сжатие, необходимые для начала синтеза, происходят за счёт мощного лазерного излучения, вызывающего рентгеновское излучение стенок небольшой камеры, которое и сжимает небольшую мишень из смеси дейтерия и трития. На выходе получается кратковременный выброс энергии, превосходящий энергию, доставленную в мишень лазерными пучками. Это и осуществили в Ливерморе – капсулу с «топливом» помещают в полую золотую камеру размером с ластик на конце карандаша, который почему-то назвали хольраум (нем. Hohlraum – полость, пустота). Удар 192 мощных лазерных лучей направляется на стенки хольраум, стенки превращают их в рентгеновское излучение, которое нагревает и сжимает её до температуры более 100 миллионов градусов по Цельсию и давления выше 100 миллиардов атмосфер. Однако полная энергия, потребляемая для производства этих лазерных пучков, на два порядка превосходит ту, которая получена в результате синтеза, да и промышленное производство хольраумов, необходимых для непрерывной подачи, дело затратное.

Тем не менее некоторые комментаторы поспешили объявить эти результаты прорывом на пути к «чистой энергии». Но словно в насмешку над ними прозвучали слова заместителя администратора Национального Управления Ядерной Безопасности (NNSA) по оборонным программам доктора Марвина Адамса, который в своём выступлении по поводу этого эксперимента в частности сказал: «Термоядерный синтез является важным процессом при создании современного ядерного оружия, а также обладает потенциалом для получения обильной чистой энергии. Как вы слышали и ещё услышите, прорыв в этой сфере действительно имеет последствия для чистой энергии, но главнее то, что эти достижения повысят американскую национальную безопасность».

«Имеющий уши да услышит!»


© 2024 Наука и религия | Создание сайта – UPix