Зажжется ли «солнышко на земле»?
Помнится, лет тридцать назад, когда перспективы покорения природы, подчинения ее стихийных сил сознательной воле человека казались такими близкими, такими реальными, в научно-популярной литературе, телевизионных программах из цикла «Очевидное — невероятное» об освоении энергии термоядерного синтеза в мирных целях говорили как о деле, самое далекое, нескольких лет. Вот-вот на земле зажжется искусственное «солнышко», которое обеспечит человечество практически неиссякаемой энергией. Прошли десятилетия, а «солнышко» все не горит. Что делается в этой такой манящей отрасли знания сейчас, какой путь пройден исследователями? Об этом мы беседуем с людьми, имеющими самое непосредственное отношение к проблеме, учеными РФЯЦ — ВНИИЭФ, занимающимися вопросами термоядерного синтеза. Владислав Мохов, главный научный сотрудник, заместитель научного руководителя РФЯЦ — ВНИИЭФ: — ВНИИЭФ — это та организация в нашей стране, где родился термоядерный синтез, где им больше всех занимаются. Если тяжелые ядра урана распадаются на несколько частей с выделением энергии, это называется ядерной реакцией деления. Если же ядра легких элементов, изотопов водорода, дейтерия и трития, соединяются в ядра более тяжелых элементов, выделяется еще большая энергия. Это и есть реакция термоядерного синтеза. Для протекания термоядерной требуется колоссальная температура, миллионы градусов. Впервые она пошла в водородной бомбе. Леонид Мхитарьян, начальник лаборатории: — Реакция синтеза требует очень больших скоростей от ядер, так как силы отталкивания, постоянно действующие на них, препятствуют сближению. Для преодоления этих сил требуется разогреть вещество до ста миллионов градусов. Владислав Мохов: — В водородной бомбе термоядерная реакция была достигнута подрывом ядерного заряда. Чтобы использовать выделяющуюся при этом колоссальную энергию в мирных целях, ядерный заряд не подходит. Вещество надо очень сильно сжать. Как известно, при сильном быстром сжатии оно разогревается до необходимых температур. Во-вторых, чтобы выделилось энергии больше, чем было затрачено, нужно достаточно длительное время удерживать дейтериево-тритиевую плазму. Это и было достигнуто в водородной бомбе. Нами и американцами были созданы термоядерные заряды для проведения промышленных взрывов. Но затем на такие взрывы был наложен запрет. Через некоторое время у академиков Андрея Сахарова и Игоря Тамма родилась идея использовать для удержания термоядерной реакции магнитное поле. Так появился токамак (сокращение от «тороидальная камера с магнитной катушкой»). Идея токамака родилась у нас в Сарове, но ее передали на разработку курчатовскому институту. Мы же занялись вопросами взрывного, или, иначе говоря, инерциального термоядерного синтеза. Вообще, системы управляемого термоядерного синтеза (УТС) делятся на два вида: стационарные с магнитным удержанием (время работы примерно секунды и больше) и импульсные (время работы — микросекунды и меньше). Импульсные системы, в которых время удержания термоядерной плазмы в процессе горения определяется инерцией вещества, принято называть инерциальным, или импульсным термоядерным синтезом (ИТС). Леонид Мхитарьян: — Разница между стационарным (токамак) и импульсным УТС примерно та же, как между газовой турбиной, в которой газ постоянно вращает турбину, и двигателем внутреннего сгорания, в котором топливо поступает небольшими порциями и толкает поршень. Владислав Мохов: — Одно из направлений ИТС — лазерный термоядерный синтез. Его родоначальником также является Сахаров. С помощью лазера сжимается маленькая мишень, некая маленькая бомбочка. В ней достигается нужная для термоядерной реакции температура, и за счет инерции вещества начинается реакция синтеза. Но пока такой результат еще никем не достигнут. И мы, и американцы увеличиваем мощность применяемых лазеров. Следующее направление ИТС — газодинамический термоядерный синтез (ГДТС). Никита Попов у нас во ВНИИЭФ выдвинул идею обжимать мишень оболочкой, она разгоняется с помощью обычного химического взрывчатого вещества. Но об этом лучше расскажет сам Никита Анатольевич. Никита Попов, ведущий научный сотрудник: — ГДТС — попытка получить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию без использования ядерных делящихся веществ. В 1946 году эту идею высказал Александр Сергеевич Козырев, привез ее сюда, тогда еще в КБ-11, ныне ВНИИЭФ. Я приехал на объект в 1951 году, начал заниматься этим вопросом. Это огромный шаровой сферический заряд порядка 70см в диаметре. Основной принцип — концентрация энергии в сферической сходящейся волне. Для достижения условий термоядерного зажигания требовалась высокая кумуляция энергии, отбираемой от взрывчатого вещества, в центральной области, где размещалась оболочка из тяжелого материала, обжимающая дейтерий-тритиевый газ. Использовались многокаскадные сферические системы, в которых достигается более высокая степень кумуляции энергии, чем в сплошном веществе. Есть шаровой заряд. Если организована сжимающаяся, направленная в центр ударная волна, будет расти давление, а значит, и температура. Поместив в центре мишень с дейтериево-тритиевым топливом, можно получить реакцию термоядерного синтеза. В 1955 году были впервые зарегистрированы термоядерные нейтроны. По мере развития кумулирующих веществ, каскадных оболочек, был получен выход нейтронов 10 в девятой степени, затем — 10 в тринадцатой степени. Сергей Гаранин, заместитель начальника отделения, начальник отдела: — В ГДТС еще в пятидесятых годах прошлого века впервые в мире были получены термоядерные нейтроны, то есть реакция без делящихся материалов, без ядерной бомбы. Но, правда, реакция пошла еще не самоподдерживающаяся. Владислав Мохов: — К реакциям ИТС относятся также реакции ионного термоядерного синтеза. Сейчас в этом направлении работают ученые в Германии. У нас во ВНИИЭФ есть одно существенное преимущество: благодаря идеям Сахарова здесь были разработаны взрывные магнитные генераторы (ВМГ), которые за очень короткие промежутки времени способны выделять энергию мощностью, сравнимой с мощностью всего мира. Но для целей энергетики использовать взрывчатку нельзя. Вместо ВМГ нужен стационарный накопитель энергии типа конденсатора. В США построена самая мощная подобная установка. Сейчас мы рассматриваем возможность разработки совместно с американцами термоядерной системы на принципах магнитного обжатия. Мы будем делать саму мишень на основе ВМГ, американцы — на основе стационарной энергетической установки. Наша система на основе магнитного обжатия называется МАГО (сокращенно от «магнитное обжатие»). Сергей Гаранин: — В нашей стране из-за скудного финансирования на «большой земле» заниматься этой проблематикой трудно. У нас же, в Сарове, возможностей немного больше. Они основаны на наработках прежних лет. Для реализации зажигания на стационарных установках необходимы огромные масштабы энергии, огромные финансовые вложения. Леонид Мхитарьян: — К сожалению, так уж устроен человек, что большое количество времени, сил, средств он затрачивает на военные нужды. В мире далеко не все понимают, какие угрозы стоят перед человечеством из-за дефицита энергии. И какую малую толику средств, идущих сегодня на военные цели, нужно выделить ученым на разработки, которые обеспечат мир неиссякаемыми источниками энергии. Сергей Гаранин: — Для получения реакции УТС на установках типа токамака, лазерных установках, требуется оборудование огромных масштабов, стоимостью миллиарды долларов. А использование ВМГ требует гораздо более миниатюрных установок, да и стоимость несоизмерима, всего сотни тысяч долларов. Магнитное удержание требует газ в сто тысяч раз более разреженный, чем наша атмосфера. В ЛТС требуется плотность водорода в семь раз большая, чем ртути, давление в 100 млн атмосфер. Плотность и температура примерно те же, что на Солнце. Но у нас реакции идут очень быстро. А на Солнце энерговыделение сопоставимо с энерговыделением гниющего навоза. Именно быстрота реакции не позволяет «зажечь лампочку», использовать энергию УТС в промышленных целях. Леонид Мхитарьян: — Самый мощный лазер в мире, американский, обладает энергией 2 МДж, то есть столько, сколько и автомобильный аккумулятор. Но если аккумулятор выделяет энергию в течение нескольких часов, то лазер — за миллиардные доли секунды. Десятилетние изыскания показали, что симметрично обжимать мишень лазером не удается. Необходимо добиться того, чтобы топливо мишени не разваливалось на куски, нужна симметрия. Но совершенства в природе не бывает, сделать идеально сферическую мишень невозможно. С другой стороны, для реакции необходимо равномерное обжимание мишени, иначе мишень проваливается, мы не получим термоядерной реакции. Условия по симметрии на нашей установке «Искра 5», работавшей во ВНИИЭФ до недавнего времени, лучше, чем у американцев, но ее энергии не хватает для зажигания термоядерной реакции. Поэтому ей на смену придет новая установка, «Искра 6». Сейчас у нас уже работает один из элементов «Искры 6» — установка «Луч». Сергей Гаранин: — Прежде чем прийти к прикладным вопросам, использованию термоядерной энергии в промышленных целях, надо пройти путь фундаментальных исследований. Но пока зажигания и удержания плазмы не достигнуто ни в токамаках, ни в установках ИТС. Владислав Мохов: — Реакция термоядерного синтеза до сего времени была получена только в водородной бомбе, с использованием ядерного взрыва. Дело в том, что при ядерном взрыве образуется рентгеновское излучение достаточной мощности для сжатия, осуществления термоядерного зажигания. Рентген же, получаемый при ЛТС, МАГО, других видах ИТС, обладает меньшей мощностью, он не сожмет большую мишень. А для зажигания маленькой мишени ее нужно сжать гораздо сильнее, в десять тысяч раз сильнее, чем в водородной бомбе. Это пока нереально. Поэтому серьезные люди, занимающиеся энергетикой, о термояде, его возможностях уже не говорят. Но мы оптимисты. Когда-то давно Андрей Дмитриевич Сахаров предложил проводить ядерные взрывы в стальных камерах, нагревая рабочее тело и получая таким образом электрическую энергию. В то время это было нереально. У нас родилось предложение — сжимать магнитными полями не термоядерную мишень, а активное делящееся вещество. Его немного, оно выделяет мало энергии, но ее достаточно для зажигания термоядерной мишени. Это экспериментально уже осуществлено. Взрывной термоядерный синтез такой же, что и в ЛТС, но энергия удержания различна. Такой большой энергии, такой точной симметрии, как в случае лазеров, здесь не требуется. В научных кругах этот старый путь вновь начали рассматривать. Сергей Гаранин: — Деятельность по управляемому термоядерному синтезу в нашем институте делится на несколько направлений. Это ЛТС, МАГО. Третье, тоже использующее ВМГ, но на делящихся материалах, о котором говорил Владислав Николаевич. Четвертое — ГДТС, по-прежнему развивающееся во ВНИИЭФ. И пятый подход — ионный термоядерный синтез. Но во ВНИИЭФ этим экспериментально не занимаются. Нельзя исключать, что в каком-то из этих подходов может быть получена самовоспроизводящаяся реакция управляемого термоядерного синтеза.
