С инженерной точки зрения строящийся термоядерный реактор — это токамак. Одним из создателей этого типа устройств был Андрей Сахаров. Волею судеб он был причастен к разработке токамака только на начальном этапе, но и проект ITER, и международное сотрудничество по управляемому термоядерному синтезу по сей день развиваются в духе его идей.

Впрочем, обо всем по порядку.

Из жизни звезд

Еще в 1920 году британский физик Артур Эддингтон предположил, что в недрах звезд из водорода синтезируется гелий, в результате чего высвобождается огромное количество энергии, позволяющее звездам жить миллиарды лет. Этот процесс называется термоядерным синтезом: ядра более простых элементов сливаются в более сложные с выделением энергии.

Размышляя над этим, Эддингтон пришел к выводу, что на скорость синтеза влияют температура и плотность (давление), и этот процесс каким-то образом саморегулируется, иначе долгое (в масштабах Вселенной) устойчивое состояние звезды было бы невозможно. Позднее (в 1938 г.) американский физик Ханс Бете провел расчеты и доказал, что Артур Эддингтон был прав: именно превращение водорода в гелий и дает жизнь звездам. За эти работы (открытие протон-протонного и углеродно-азотного циклов) Бете получил Нобелевскую премию по физике в 1967 году.

Там же, в Кембридже, в 1934 году был открыт тритий — радиоактивный изотоп водорода. Его стали изучать и, в частности, сталкивать ядра трития с другим изотопом — дейтерием.

Эти опыты проводил австралийский физик Макс Олифант, ученик легендарного Эрнеста Резерфорда. Он-то и обнаружил, что при слиянии ядер дейтерия и трития образуется ядро гелия, высвобождается один нейтрон и в совокупности 17,59 МэВ энергии.

₁²Н + ₁³Н → ₂⁴Не + n + 17,589 МэВ

Оказалось, что в пересчете на килограмм топлива термоядерная реакция дает гораздо больше энергии, чем реакция распада, которая лежит в основе существующих АЭС. Но воспроизвести процессы, которые проходят внутри звезд, человеку весьма непросто.

Физические проблемы термоядерного синтеза

Итак, термоядерный синтез — это слияние двух легких ядер в одно более тяжелое. Но в обычных земных условиях этот процесс невозможен, есть препятствие, о котором мы знаем со школы, — электростатическое отталкивание. Одноименные заряды отталкиваются — эту закономерность в далеком 1785 году открыл французский физик Шарль де Кулон. В нашем случае речь идет о слиянии ядер, а ядра положительно заряжены.

А вот способствует синтезу сильное ядерное взаимодействие. Оно наблюдается на сверхмалых расстояниях и обеспечивает связь протонов и нейтронов, из которых состоят ядра. Сильное взаимодействие преобладает над кулоновским отталкиванием на расстояниях порядка фемтометра (10⁻¹⁵ метра). Это близко к размеру самих протонов или нейтронов. То есть чтобы сильное взаимодействие привело к слиянию, нужно ядра очень сильно сблизить. Внутри звезд это происходит благодаря очень высокой плотности и температура вещества, но человек пока не способен обеспечить долговременно и одновременно такую концентрацию и кинетическую энергию частиц материи.

На практике это означает, что ядрам нужно сообщить кинетическую энергию, которая превышала бы электростатическое отталкивание, так называемый кулоновский барьер, он доходит до миллионов электронвольт. Как сообщить атому эту энергию? Есть два способа. Во-первых, можно разогнать атомы на ускорителях, и тогда при столкновении их энергии хватит, чтобы ядра сблизились на нужное расстояние. Это способ очень энергозатратный; для научных исследований он вполне подходит (Макс Олифант так и провел свою реакцию термоядерного синтеза), но для промышленных энергетических установок, то есть для выработки электроэнергии, бесперспективен. Во-вторых, нагревание, причем речь о температурах, которые превышают звездные величины, — десятки миллионов градусов. Именно величина сообщаемой атомному ядру энергии (другими словами, температуры) определяет, какие вещества могут вступить в термоядерную реакцию. В недрах звезд в синтезе участвуют элементы вплоть до железа, однако в качестве топлива для реакторов ученые рассматривают изотопы водорода, а также гелий и литий. Более тяжелые углерод, кислород и азот требуют слишком много энергии, работать с ними при существующих технологиях пока невозможно.

И еще немного теории. Существует критическая температура, при которой вещество ионизируется и принимает четвертое агрегатное состояние — становится плазмой. Для дейтерия и трития энергия ионизации — 13 эВ (что соответствует температуре свыше 100 000 °С), а энергия преодоления кулоновского барьера — 1 000 000 эВ(!). Это означает, что пока мы будем нагревать газ до нужной для термоядерного синтеза температуры, топливо станет очень горячей плазмой.

О том, что работать с разогретой плазмой крайне сложно, ученые знали: любое вещество при контакте с ней просто испарится. Но мысль об энергии невероятных величин не давала покоя военным. Идею термоядерной (водородной) бомбы Энрико Ферми высказал в 1941 году, когда и ядерное оружие существовало только на бумаге. В сентябре 1945 года об американских работах над «сверхбомбой» Советскому Союзу сообщил физик-разведчик Клаус Фукс. Через месяц после Хиросимы и Нагасаки эту информацию восприняли более чем серьезно.

От слойки к термоизоляции плазмы

Именно бомба привела Андрея Сахарова в тематику термоядерного синтеза и раскрыла талант Сахарова-физика: предложенная им идея «слойки», простая и изящная, позволила Советскому Союзу первым создать водородную бомбу. А имя автора вошло в научный фольклор: процесс ускорения термоядерной реакции за счет ионизационного сжатия дейтерия внутри бомбы стали называть «сахаризацией» (подробнее о «слойке» Сахарова можно прочитать здесь). Но он же, Сахаров, стоял и у истоков управляемой термоядерной реакции, то есть мирного использования энергии синтеза.

В своих воспоминаниях Андрей Дмитриевич писал, что он задумался об этом в поезде, когда летом 1949 года впервые ехал на «объект» (КБ-11). Это был личный вагон Бориса Львовича Ванникова, начальника Первого главного управления при Совете министров СССР, занимавшегося организацией производства ядерного оружия. Но в приоритете была бомба, и возвращение к идее управляемой термоядерной реакции произошло только летом 1950 года. Тогда в Москву пришло письмо от солдата Олега Лаврентьева, служившего на Сахалине. Сначала он написал Сталину, что знает секрет водородной бомбы, а не получив ответа, обратился в ЦК ВКП(б). Реакция последовала быстро: в воинской части Лаврентьеву выделили отдельную комнату, чтобы он мог в спокойной обстановке сформулировать и описать свою идею. 29 июля 1950 года в столицу секретной почтой было отправлено письмо, черновик которого был уничтожен. Олег Лаврентьев излагал свои предложения относительно бомбы, но главное — описание системы электростатического удержания горячей плазмы для осуществления управляемой термоядерной реакции.

Реактор Лаврентьева представлял собой систему из двух сферических, концентрически расположенных электродов. Внутренний электрод — это прозрачная сетка, на которую предполагалось подавать высокий отрицательный потенциал. Внешний электрод должен быть источником ионов. В этой схеме плазма создается инжекцией ионов с поверхности сферы и эмиссией вторичных электронов с сетки. Термоизоляция плазмы осуществляется путем торможения ионов во внешнем электрическом поле. В результате фокусировки ионов дейтерия в центре сферы там достигается наибольшая плотность плазмы и происходит интенсивное термоядерное «горение». Лаврентьев полагал, что вблизи сетки плотность плазмы будет падать на несколько порядков, поэтому там термоядерная реакция пойдет очень слабо, тепловые потери будут незначительными, и сетка не разрушится.

Уже 4 августа записи Лаврентьева передали Сахарову для рецензирования. Отметив ценность самой идеи управляемой термоядерной реакции, Андрей Дмитриевич посчитал схему неосуществимой, так как в ней не исключен прямой контакт горячей плазмы с сетками. Это означало бы серьезные потери тепла и недостижимость температур, необходимых для протекания термоядерной реакции. Однако работа Лаврентьева натолкнула Сахарова на идею использования для удержания плазмы магнитного поля вместо электрического. «Во время чтения письма и писания отзыва у меня возникли первые, неясные еще мысли о магнитной термоизоляции. Принципиальное отличие магнитного поля от электрического заключается в том, что его силовые линии могут быть замкнутыми (или образовывать замкнутые магнитные поверхности) вне материальных тел, тем самым может быть в принципе решена “проблема контакта”. Замкнутые магнитные силовые линии возникают, в частности, во внутреннем объеме тороида при пропускании тока через тороидальную обмотку, расположенную на его поверхности. Именно такую систему я и решил рассмотреть», — написал Сахаров в «Воспоминаниях».

Поясним, что в сильном магнитном поле заряженные частицы — ионы или электроны — движутся по спирали, которая накручивается на магнитную силовую линию. Чем сильнее поле, тем меньше радиус такой спирали (эту величину называют ларморовским радиусом). Таким образом, если силовые линии магнитного поля будут проходить по центру камеры, то плазма тоже будет двигаться по центру и не будет соприкасаться со стенками реактора. Это и есть принцип магнитной термоизоляции.

Покорение плазмы и фальшивые нейтроны

Итак, Сахаров предложил создать термоядерный реактор в форме тора. Свою идею он назвал ТТР (тороидальный термоядерный реактор), но Тамм предложил иное название — МТР (магнитный термоядерный реактор), которое и было принято как более универсальное. В общих чертах схема МТР была готова в октябре 1950 года, и уже 11 января 1951 года Игорь Курчатов, Игорь Головин и Андрей Сахаров обратились с письмом к Берии. В нем говорилось: «Учитывая, что магнитные ядерные реакторы могут приобрести очень важное значение для ядерной энергетики, мы считаем необходимым в 1951 г. построить в ЛИПАН [Лаборатория измерительных приборов АН СССР, сегодня — НИЦ «Курчатовский институт»] лабораторную модель и изучить на ней основные физические процессы, определяющие возможность создания промышленных реакторов». Ответ поступил всего через три дня — 14 января 1951 года: «Ведущаяся в КБ-11 по инициативе тт. Тамма и Сахарова работа над созданием нового типа реактора имеет, по моему мнению, исключительно важное значение, и поэтому надо обеспечить все необходимые условия для успешного развития ее и, в первую очередь, сделать все, что нужно для того, чтобы насколько возможно скорее проверить теоретическую и техническую возможности осуществления такого реактора».

Сахаров и Тамм предложили удерживать плазму в тороидальной камере, на которую намотаны катушки для создания сильного продольного (тороидального) магнитного поля. Сама по себе такая конструкция не решала проблему соприкосновения плазмы со стенками камеры (у схемы Лаврентьева была та же беда). Всему виной магнитный дрейф. Из-за неоднородности магнитного поля и кривизны самого тора спирали, по которым движется плазма, могут смещаться относительно магнитных силовых линий (также возможен дрейф, вызванный электрическими полями, —  «электрический дрейф»). В результате этих смещений частицы могут «вылетать» в стенки камеры реактора. Чтобы этого избежать, ученые предложили создать другое магнитное поле — полоидальное. Его силовые линии должны «обвивать» плазму по спирали и служить барьером для дрейфа частиц. Сахаров и Тамм указали два способа создания полоидального магнитного поля:

1) пропускать электрический ток по кольцевому проводнику, помещенному внутрь плазмы;

2) возбуждать продольный ток в самой плазме с помощью полоидальной обмотки, расположенной снаружи вакуумной камеры.

При сочетании тороидального и полоидального магнитных полей замкнутые магнитные силовые линии превращаются в магнитные поверхности, которые охватывают ток плазмы, движущейся в кольце. Об этих поверхностях Игорь Тамм писал в своей классической работе «Основы теории электричества», издававшейся восемь раз с 1929 по 1966 год.

Однако проблема дрейфа была не главной. Больше опасений вызывали многочисленные плазменные неустойчивости разной природы. Например, так называемые перетяжки: полоидальное магнитное поле сжимает плазму (обычно говорят «плазменный шнур»), обвиваясь вокруг него по спирали, но возможны ситуации, в которых спирали так сильно закручиваются, что шнур рвется.

Кстати, эпизод с «перетяжкой» попал в фильм «Девять дней одного года»: в одном из эпизодов главный герой Гусев и его коллеги сначала радуются, что в их установке зарегистрированы нейтроны, а затем расстраиваются, что это не те нейтроны. Случай с «фальшивыми» нейтронами в реальности произошел в ЛИПАН. Одна из научных групп проводила опыты с дейтериевой плазмой. Теоретические расчеты показывали, что в тех условиях внутри плазмы не должны были образовываться нейтроны, однако аппаратура их зафиксировала. Появилась надежда, что по какой-то причине температура плазмы была намного выше расчетной, и группа осуществила термоядерную реакцию. Но опытные Лев Арцимович и Михаил Леонтович подошли к «чуду» по-научному и поняли, что столкнулись с той самой «перетяжкой»: в точке разрыва шнура появляется электрическое поле, которое разгоняет ионы; ионы сталкиваются друг с другом, образуется очень незначительное количество свободных нейтронов. По сути, экспериментаторы столкнулись с тем же процессом, который происходит на ускорителях.

От МТР к токамакам

5 мая 1951 года Сталин подписал Постановление Совета министров СССР № 1463-732 сс/оп «О проведении научно-исследовательских и экспериментальных работ по выяснению возможности осуществления магнитного термоядерного реактора». Научным руководителем работ был назначен член-корреспондент АН СССР Лев Андреевич Арцимович, причем было прямо прописано, что в 1951 году он обязан «не менее половины своего рабочего времени заниматься работами по магнитному термоядерному реактору». Сооружение большой лабораторной модели МТР с потреблением мощности около 5000 кВт было поручено Лаборатории измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН). Сахаров стал заместителем научного руководителя по теоретической части.

Первая тороидальная установка называлась ТМП — тор с магнитным полем. Ее построили в 1955 году под руководством Игоря Головина и Натана Явлинского. Радиус тора — 0,8 м, радиус плазменного шнура — 0,13 м, магнитное поле — 1,5 Тл, ток в плазме — 0,26 МА. Объем плазмы составлял всего 0,27 м³, что примерно в 3500 раз меньше, чем в расчетах Сахарова для МТР. Разрядная камера была выполнена из фарфора.

Все следующие установки в ЛИПАН назывались токамаками — ТОроидальная КАмера МАГнитная (для благозвучия в конце слова Г заменили на К), но сейчас встречается и другая расшифровка — ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. С 1955 по 1965 год в ЛИПАН было построено восемь установок (ТМП, Т-1, Т-2, Т-3, Т-5, ТМ-1, ТМ-2 и ТМ-3). Их отличительная особенность — индуктор (центральный соленоид, электромагнит). Он помещен внутри тора, на его оси. Сам индуктор выступает первичной, а плазма в камере — вторичной обмоткой большого трансформатора: достаточно поменять ток в первичной обмотке, чтобы ток появился и во вторичной. Этот ток очень нужен для разогрева плазмы и поддержания сложной системы магнитных полей. Однако такая конструкция является и одним из главных ограничителей токамака: чтобы внутри плазмы был ток, нужно постоянно менять значения тока в индукторе, но делать это бесконечно невозможно. Есть рабочий диапазон (например, в ITER это от +55 килоампер до –55 килоампер — всего 110 килоампер амплитуды), вне которого ток в плазме будет исчезать, плазма остывать, и термоядерный синтез остановится. И в первое десятилетие своего существования токамак вовсе не был фаворитом в термоядерной гонке.

Весь мир поверил в возможности токамака — начался токамаковый бум. Если до 1969 года за пределами СССР был только один токамак — LT-3 (Канберра, Австралия), то после обнародования показателей Т-3А токамаки появились в США, Японии, Франции, Великобритании, Южной Корее, Канаде, Китае, Индии, Иране и так далее — всего в 29 странах. В Принстоне даже переделали стелларатор С в токамак ST. Всего в мире было сооружено более 200 токамаков, и именно токамаком (а не стелларатором) является ИТЭР — Международный экспериментальный термоядерный реактор, самая сложная и дорогостоящая научная установка в мире.

Вдали от «отца»

К сожалению, Андрей Сахаров в создании токамаков и тем более проведении экспериментов участие не принимал. До 1968 года он работал в КБ-11 и лишь иногда мог выезжать в Москву. Поэтому его детище развивалось без отца. А когда его отстранили от работы на «объекте» (КБ-11), термоядерными установками занимались уже физики-экспериментаторы. Да и неизвестно, проявлял ли к этой теме интерес сам Сахаров: в своих «Воспоминаниях» он ничего не написал об этом. Зато как теоретик Сахаров еще раз вернулся к управляемой термоядерной реакции через десять лет:

«В 1960–1961 гг. я еще раз выступил с предложением, относящимся к управляемой термоядерной реакции. В это время поступили сообщения о создании Майманом в США первого лазера на рубине. Я выступил на “объекте” с докладом, в котором обосновывал возможность использования лазера для возбуждения термоядерной реакции в маленьких шариках, содержащих термоядерное горючее и обжимаемых за счет гидродинамических эффектов при импульсном нагреве лазерным лучом внешней поверхности шариков. В докладе были даны оценки необходимых параметров этих устройств. В дальнейшем оценки были уточнены в серии численных расчетов на ЭВМ, проведенных моими сотрудниками (в особенности Никитой Анатольевичем Поповым). В качестве возможных областей использования этого принципа я называл энергетику и термоядерные импульсно-реактивные двигатели космических кораблей будущего. Мой доклад стал известен не только сотрудникам объекта, но и специалистам по лазерам в других учреждениях».

Исследования по использованию лазеров в термоядерных реакторах ведутся и сегодня. Это инерциальный термоядерный синтез. Внутри реактора помещается мишень — шар, состоящий из топлива и нескольких слоев оболочки. Лазеры (или пучки ионов) с разных сторон воздействуют на внешний слой мишени, он испаряется, сжимая внутренние слои. В результате вещество становится очень плотным и нагревается до параметров, необходимых для термоядерного синтеза.

В России этим направлением занимается Российский федеральный ядерный центр-ВНИИЭФ в Сарове — то самое КБ-11. Сегодня там строится самая мощная в мире лазерная установка УФЛ-2М, в ней будет 192 лазерных канала.

Таким образом, Андрей Сахаров оказался у истоков двух лидирующих сегодня технологий в сфере управляемой термоядерной реакции. Поразительно смелые «теоретические» расчеты, на более чем шесть десятилетий опередившие реальные технологии.

Сахаровский по духу

В это трудно поверить, но управляемый термоядерный синтез почти сразу стал точкой сотрудничества, а не противостояния СССР и Запада. Стоит напомнить, что Советский Союз свою водородную бомбу испытал 12 августа 1953 года, а США — 1 марта 1954 года, но уже 25 апреля 1956 года научный руководитель советского атомного проекта Игорь Курчатов согласился прочитать лекцию в Харуэлле — британском ядерном центре. Никто не ожидал, что гость из СССР решит рассказать о том, что в самой Великобритании и США было тайной, — «О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде» (так назывался доклад). Это был не акт демонстрации силы, а приглашение к сотрудничеству.

Агентство Reuters так сообщало о лекции Игоря Васильевича: «По общему мнению, главный советский атомщик доктор И. Курчатов поразил английских ученых, рассказав, что Россия находится на пороге установления контроля над энергией водородной бомбы для использования в мирных целях. Английские эксперты нашли эту лекцию сенсационной». И далее агентство сделало характерное признание: «Английские ученые ожидали, что доктор Курчатов будет выкачивать из них информацию, а вместо этого он сказал им, что им следует делать…» «Доктор Курчатов, по словам агентства, раскрыл своим пораженным слушателям, что русские довели свою научно-исследовательскую работу до такого этапа, что могут получить температуру в 1 миллион градусов по Цельсию. Получение такой температуры, подобной температуре Солнца, в контролируемых лабораторных условиях английские ученые приветствовали как очень важное открытие».

Не менее ярким был и визит Льва Арцимовича в США. В 1969 году он посетил и Лос-Аламос, и Массачусетский технологический институт. Выдающийся для того времени результат токамака Т-3А не давал покоя физикам по всему миру, поэтому научного руководителя советской программы по управляемому термоядерному синтезу завалили вопросами.

Наконец, проект ITER стал плодом советской перестройки: в начале октября 1985 года Генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Горбачёв во время встречи с президентом Франции Франсуа Миттераном предложил построить международный термоядерный реактор. Через полтора месяца эту же идею советский лидер обсудил с президентом США Рональдом Рейганом. Вскоре определился и первоначальный круг стран-партнеров: СССР, США, Евросоюз и Япония. С тех пор список государств, участвующих в проекте, вырос до тридцати пяти, а вот его идеология не изменилась: результаты исследований и инженерные разработки доступны всем партнерами, чтобы в случае успеха ITER каждая страна смогла бы построить свой реактор. Именно по этой причине разные части установки создаются по всему миру и только собираются во Франции. Более того, те узлы, которые необходимы не в единичном количестве, также изготавливаются разными странами, что повышает как стоимость эксперимента, так и разного рода риски, однако в переводе с латинского iter — это «путь», и пока это путь к сотрудничеству и кооперации, а не к конкуренции и вражде. Вряд ли Андрей Сахаров в 1951 году полагал, что через 70 лет его задумка будет объединять тысячи физиков-теоретиков, инженеров, материаловедов и других специалистов по всему миру. Но он точно был бы рад.

Максим Гревцев, программный директор сети Информационных центров по атомной энергии

Научный консультант: Егор Задеба, к.ф.-м.н, доцент НИЯУ МИФИ