Ряд информационных агентств сообщили, что на конец декабря 2020 года планируется запуск в Курчатовском институте разрабатываемой ещё с 1950 года экспериментальной термоядерной установки Токамак Т-15МД. Насколько это важная новость?
В этом году человечество отметит уже 42-ю годовщину проекта создания международного термоядерного реактора: первые консультации в рамках проекта INTOR, призванного обеспечить постройку такого сооружения, состоялись между СССР, США, Японией и Евросоюзом ещё в 1978 году. Если же говорить о нынешнем проекте ITER, который наследовал INTOR, то ситуация поменяется непринципиально — ITER стартовал десять лет спустя, в 1988-м, а в этом году ему исполнится тридцать два года. Богочеловека Иисуса Христа в 33 его земных годы уже распяли, а ITER к настоящему моменту готов «всего лишь» на 70% — и то лишь к своему первому тестовому запуску. Причём в качестве даты «холодного» пуска ITER-а с модельной плазмой называют 2025 год, а «горячую», термоядерную дейтерий-тритиевую плазму в нём опробуют не раньше 2035 года, по результатам десятилетних проверок и экспериментов, частью которых являются и «прогоны» Токамака Т-15МД. Связано это с одной неприятной особенностью — после начале термоядерной реакции все внутренние объёмы и конструкции ITER попадут в поток жёстких нейтронов, которые сделают их радиоактивными и смертельно опасными для людей. Поэтому что-то менять или доделывать в конструкции реактора можно только до начала пуска «горячей» плазмы.
Самым же показательным моментом является то, что даже после такого пуска, который начнёт лучить во все стороны нейтронами настоящей термоядерной реакции, ITER так и не станет энергетической установкой — он будет производить лишь тепло, но не электроэнергию. Участь ITER — стать ещё одной, очередной, пусть и самой крупной и самой дорогой тестовой площадкой для исследования термоядерного синтеза. Первым же экспериментальным термоядерным реактором, который сможет по планам выдавать электроэнергию в общую сеть, станет развитие проекта ITER, реактор DEMO, сооружение которого собираются начать не раньше 2030 года. А запустить — так и вовсе, в лучшем случае, к 2048 году. Так что, если уж продолжить начатую выше аналогию с Христом — то термоядерную «Нагорную проповедь» нам суждено слушать минимум 70 лет.
Кстати, с «горой» часто любят сравнивать и проблему овладения термоядерным синтезом — только с Голгофой, символизирующей Крестные муки и Распятие Иисуса. Причём в таком сравнении наглядно демонстрируется вся злая ирония избранного подхода «маленьких шажков», воплощением которого стал проект ITER.
«Представьте, что вы захотели поставить бетонную плиту фундамента дома на небольшой холмик, который вам неохота срывать — пусть ваш будущий дом стоит высоко на этом красивом возвышении и всех радует! Подогнали к холмику строительный кран, привезли фундаментные плиты. А холмик взял — и вырос вдвое, уже метров 20 высотой… Ничего, поставим ещё одну секцию в наш башенный кран! А холм — бац! — и снова растёт, уже метров сто высотой… Ладно, кран-то выдержит, доставляем секции, отодвинем кран чуть подальше от холма, чтобы стоял на ровной площадке! Но нет — снова холм вырос, уже целая гора высотой с километр, да и подошва у неё уже разрослась до соответствующих размеров. Но проект-то у вас всё равно на строительный кран! И как его теперь ставить возле огромной горы, как поднимать плиту на целый километр высоты?»
Именно так, в шуточной форме, любят показать сложность подхода, с которым столкнулись учёные, конструкторы и инженеры при создании ITER. Но в каждой шутке лишь доля шутки. Действительно, в этом реакторе многие составные части не просто уникальны — их делают практически на пределе наших собственных знаний и умений, в единственном экземпляре, без предыдущего опыта и существующих аналогов, часто — практически «вслепую» и без предварительных экспериментов. Причем требования к этим частям реактора не раз изменялись — все эти сорок лет в мире шли эксперименты с термоядерными установками, которые раз за разом приносили грустные новости и «поднимали высоту горы».
Так что, тупик? Хотя… может быть, просто отказаться от идеи строительного крана? И, например, опустить плиту на вершину горы с воздуха, вертолётом? Или — затащить её по склону? Пусть и неудобно, пусть и долго — но уж точно реальнее, чем тот огромный строительный кран проекта ITER, который мы строим вот уже более сорока лет!
И, надо сказать, таких альтернатив ITER за последние годы появилось немало. Например, в России активнейшим образом, наряду с токамаками, к которым относится и проект ITER, разрабатывают так называемые открытые ловушки термоядерной плазмы. Открытые ловушки, в отличие от циклических ловушек, токамаков и стеллараторов, используемых сейчас для «штурма горы в лоб» в реакции дейтерия с тритием, представляют собой не замкнутые в тор, а открытые с обеих концов конструкции. В англоязычной литературе открытые ловушки ещё носят наименование «магнитных зеркал», подчёркивая то, что в них заряженные частицы термоядерной плазмы мечутся между удерживающими их с боков магнитными полями из стороны в сторону, как между прутьями невидимой клетки. Отличие открытых ловушек от токамаков — в так называемом не-максвелловском распределении энергий частиц, то есть отличном от распределения энергии в частицах нагретого газа или плазмы. Если упростить, то токамаки нагревают всю плазму, а открытые ловушки — лишь её малую часть, которая и вступает в термоядерную реакцию. Понятно, что второй вариант и проще, и экономичнее. Кстати, если потом магнитную ловушку открыть с одной стороны, позволив нагретой плазме её покинуть, то получится настоящий космический термоядерный двигатель — ведь по закону сохранения импульса сама ловушка получит импульс в противоположном направлении! Такой термоядерный ракетный двигатель получается настолько эффективным, что с ним колонизация Солнечной системы становится легко выполнимой и даже рутинной задачей, а на повестку дня встаёт организация полёта к ближайшим звёздам.
Интересно, что в США проект открытой ловушки MFTF, по параметрам плазмы сравнимый с ITER, был создан ещё в 1985 году, но потом по достаточно загадочным причинам был полностью лишен бюджетного финансирования, попутно похоронив 372 млн. долл. уже полученных бюджетных инвестиций. В России же действующая открытая ловушка работает в Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН, расположенном в Академгородке под Новосибирском и демонстрирует очень хорошие результаты. Так что в области открытых ловушек, которые действительно могут помочь нам «затянуть плиту на гору» без дорогостоящего «строительного крана» ITER, наша страна удерживает бесспорное лидерство.
И, наконец, стоит рассказать о «вертолёте», которым можно попытаться опустить «плиту» на вершину термоядерной горы, чтобы не возиться с высокой температурой, с которой всё-таки мы сталкиваемся и в открытых ловушках.
Речь идёт о подходе, который уже несколько десятилетий носит название «холодного ядерного синтеза». В этом году группа учёных из американского Исследовательского центра им. Гленна агентства НАСА сообщила о новом многообещающем методе получения реакций ядерного синтеза в твердотельных материалах, который они назвали «ядерный синтез в кристаллической решётке». Суть этого метода, в отличие от классических опытов по «холодному синтезу», которые так и не вышли на положительный баланс по энергии, состоит в том, что они идут не в тяжёлой или тритиевой воде, а на кристаллических решётках металлов: титана и эрбия.
Проведенные в США опыты использовали так называемый эффект «электронного экранирования», который приводит к резкому увеличению скорости термоядерного синтеза и других ядерных реакций. В прошлом об этом эффекте знали и детально описали его в научной литературе, но в последних опытах, когда ядра дейтерия поместили внутрь кристаллической решетки титана и эрбия, влияние этого эффекта оказалось неожиданно большим. Причина, очевидно, кроется в особой физической среде, создаваемой внутри кристаллической решетки этих химических элементов, которые создают особо мощный эффект электронного экранирования, практически нивелирующий кулоновское отталкивание ядер дейтерия и трития, обычно мешавшее началу термоядерной реакции.
Такое открытие особенно интересно тем, что напоминает открытие высокотемпературной сверхпроводимости. Напомним, этот тип сверхпроводимости был обнаружен в целом классе совершенно новых материалов, которые являются, скорее, керамическими составами, чем сплавами редкоземельных элементов, где сверхпроводимость находили ранее. Так что столь неожиданный вариант «холодного» термоядерного синтеза способен стать тем самым «вертолётом», который поможет человечеству заложить искомый фундамент для управляемого термоядерного синтеза.
Конечно, спектр проектов, которые призваны обеспечить человечеству доступ к управляемому термоядерному синтезу, гораздо шире — сейчас в мире одновременно реализуется около десятка крупных проектов, связанных с установками по синтезу, а сотни групп учёных ведут исследовательские работы. Несмотря на то, что «гора» сложностей термоядерного синтеза действительно уже поднялась на целый километр высоты, учёные не теряют надежды. Ведь, в случае обуздания термоядерной реакции мы получим в своё распоряжение практически неисчерпаемый источник земной энергии и, как уже было сказано, — дорогу ко всем планетам Солнечной системы и даже к ближайшим звёздам.
Так что — пожелаем успеха и долгострою ITER, и открытым ловушкам, несущим перспективы совсем другого подхода к синтезу, и «холодному» термояду, который на наших глазах обретает буквально «второе дыхание». Ведь какой-то из этих проектов обязательно приведёт к обузданию управляемой термоядерной энергии, рукотворное создание которой в виде термоядерной бомбы мы получили более полувека тому назад. Дорогу к вершине управляемого термоядерного синтеза осилит идущий.
Алексей Анпилогов
