СССР первым приблизился к созданию источника бесконечной энергии. Что стало с одним из самых секретных проектов в мире?
Фото: Михаил Озерский / РИА Новости
70 лет назад, в ноябре 1954 года, советские ученые запустили термоядерную установку токамак Т-1. СССР первым в мире вплотную подошел к созданию самого безопасного и самого эффективного источника бесконечной энергии. Звучало это настолько неправдоподобно, что поначалу за рубежом решили, что это очередная пропагандистская утка. Если бы они узнали, что к этому причастен солдат-срочник без специального образования, удивились бы вдвойне. «Лента.ру» рассказывает об одном из самых засекреченных проектов в мире и показывает, почему, несмотря на прогресс, мир еще не обзавелся источником бесконечной энергии.
«Быть советским ученым — большое счастье»
На XX съезде КПСС в 1956 году Хрущев осудил политику Сталина и обозначил курс на смычку с Западом. Но гораздо меньше внимания уделяется зачитанному докладу Игоря Курчатова, который стал не менее поворотным для страны. Он указал на необходимость перехода не только от боевого атома к мирному, но и от энергии распада — к энергии синтеза. В заключении доклада ученый призвал ученых всего мира объединить усилия в деле поиска источника бесконечной энергии. На тот момент советские ученые вовсю работали над термоядерным синтезом и добились некоторых результатов, о которых речь пойдет ниже.
Фото: Василий Егоров, Владимир Савостьянов / ТАСС Игорь Курчатов во время выступления на XX съезде Коммунистической партии Советского Союза
«Нам, советским ученым, хотелось бы работать над разрешением этой важнейшей для человечества научной проблемы вместе с учеными всех стран мира, в том числе и с учеными Америки, научные и технические достижения которых мы высоко ценим», — подчеркнул Игорь Курчатов.
Товарищи! Быть советским ученым — большое счастье. Перед советским ученым раскрыты необозримые просторы радостного труда на благо своего социалистического Отечества
Тут стоит отметить, что крен в сторону сотрудничества — и политического, и научного — был сделан в тот момент, когда СССР находился на пике, а власть — политическая и научная — еще без фиги в кармане была уверена в превосходстве первой социалистической державы. Через семь месяцев СССР запустит первый спутник в мире, укрепив свои позиции. Но и токамак, эта первая установка с управляемым термоядерным синтезом, событие выдающееся. Его появлению предшествовало десятилетие кропотливой и сверхзасекреченной работы.
Звезда по имени Солнце
Здесь не обойтись без экскурса. Самый очевидный мощный природный источник энергии — Солнце. Неслучайно в традиционных обществах получили распространение солярные, то есть «солнечные» мифы. В древних Вавилоне, Египте, Индии — везде почитали Солнце. Африканские, сибирские, австралийские народы передавали из поколения в поколение мифы о «Звезде по имени Солнце». Многие сценарии о конце света связаны с гибелью Солнца. К тому же Солнце — самый наглядный пример того, как работает термоядерный синтез. Солнечная энергия появляется в результате превращения водорода в гелий путем реакции ядерного синтеза в центральной части этой звезды. Это открытие было сделано не так давно, чуть больше столетия назад: в 1920 году британский астрофизик Артур Эддингтон первым предположил, что и Солнце, и другие звезды черпают свою бесконечную энергию в ходе превращения водорода в гелий. Идеи, изложенные в работе «Внутреннее строение звезд», стали фундаментом современной теоретической астрофизики. Дальше энергия поступает в межзвездное пространство, а уже после достигает Земли, обеспечивая ее теплом и светом. Синтез происходит при температуре до 15 миллионов градусов по Цельсию, это температура в ядре Солнца. Удержание энергии осуществляется силами гравитации. В эпоху поиска альтернативных источников энергии рассматривался такой вариант, как солнечные батареи, но он оказался малоэффективным, чтобы заменить привычные источники энергии. Начало ядерного века открыло перед человечеством новые возможности. Еще в 1922 году автор термина «ноосфера» академик Вернадский в предисловии к книге «Очерки и речи» пророчески написал:
Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет. Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить ее на добро, а не на самоуничтожение? Дорос ли он до умения использовать ту силу, которую неизбежно должна ему дать наука
Фото: В. Леонов / РИА Новости Советский естествоиспытатель, основоположник геохимии академик Владимир Вернадский
Вернадский для атомного проекта — все равно что Циолковский для космоса. Предвестник, предтеча, предсказатель, вдохновитель, пионер. В конце 1940 — начале 1950-х, после того как США и СССР испытали атомные и водородные бомбы, вопрос встал особенно остро. Одновременно ученые подсчитали, что на Земле ограниченный запас привычного топлива — нефти, газа, угля — и что уже через считаные десятилетия в них может возникнуть дефицит. Мирный же атом открывал такие возможности, что и не снились человечеству. К 1954 году СССР запустил первую АЭС в Обнинске, но ведущие ученые понимали еще задолго до Чернобыля, что путь ядерного распада чреват серьезными рисками. Другое дело — путь термоядерного синтеза: в подобной установке авария максимум приведет к остановке процесса, никого не убив и не облучив. Одновременно в Англии, США и СССР работали над укрощением термоядерной реакции. Испытание водородной бомбы в 1953 году показало не только ее разрушительный потенциал, но и как протекают подобные процессы. Если воссоздать нечто подобное в лаборатории, научиться удерживать энергию в стабильном состоянии и перенести затем на промышленный уровень, это будет означать как минимум создание собственного Солнца на Земле, а как максимум — победу коммунизма. Путь к этому был нелегок, в нем задействованы десятки, если не сотни ученых, и рассказать о мировых или хотя бы советских научных поисках детально невозможно. Но можно попытаться передать весь драматизм событий. Это была более интеллигентная и деликатная гонка, чем гонка вооружений.
«Хороша наука физика, да жизнь коротка!»
Динамика советской атомной науки была настолько интенсивна, что одной рукой ученые создавали ядерное оружие, другой — настойчиво добивались его запрещения. Самого известного советского атомщика Игоря Курчатова с самого начала тяготил статус отца атомной бомбы. Следуя заветам Вернадского, он мечтал направить всю эту потенциально разрушительную силу в мирное русло. 1950-1960-е — последние десятилетия его жизни, и он это чувствовал, говоря: «Хороша наука физика, да жизнь коротка!» В то время в науке закладывались задачи даже не на десятилетия, а на столетия вперед. Одна из них — создание в лабораторных условиях процесса управляемого термоядерного синтеза. Игорь Курчатов, с 1945 года вовлеченный в атомный проект, в начале 1950-х работал «на разрыв аорты» и все время был в разъездах и командировках. Он также понимал, что в таком деле бессилен не то что один человек, бессильная одна лаборатория, институт, страна. Но начинать с чего-то нужно было. Именно поэтому он был крайне внимателен к молодым талантам, способным, как и он, работать не на страх, а на совесть. В общем и целом было понятно, что сгенерировать процессы, подобные термоядерной реакции в Солнце, можно, смешав дейтерий и тритий и нагрев их хотя бы до 100 миллионов градусов по Цельсию. Газовая смесь превратится в ионизированную плазму, которая состоит из положительно заряженных ядер и электронов. Ядра дейтерия и трития в ходе реакции сольются воедино, преодолев закон Кулона и выделив энергию. Термоядерный синтез дает энергетический выхлоп в виде 170 миллионов мегаджоулей на килограмм вещества. Для сравнения: нефть и газ дают 44 мегаджоуля на килограмм, уголь — 34 мегаджоуля, дрова — 7 мегаджоулей. Так как дейтерий встречается в молекулах, содержащих водород, в том числе во всех формах воды, в теории из бутылки воды можно получить при термоядерном синтезе столько же энергии, сколько при сжигании бочки бензина! Проблема не в том, чтобы разогреть дейтерий и тритий до температуры солнечного ядра, а в том, чтобы удержать эту энергию. С начала 1950-х ученые бились над этой задачей. У истоков ее решения стояли молодые ученые Андрей Сахаров и Игорь Тамм.
Фото: Николай Пашин / РИА Новости Академики Игорь Тамм (слева) и Игорь Курчатов (справа)
Тамм — ученик Курчатова. Сахаров прошел к тому времени свою школу жизни в «Арзамасе-16», где работали не только над атомным, но и над термоядерным оружием. Курчатов в свое время именно Сахарова попросил изучить, какие последствия для организма несет радиация. В те годы отрасль уже была настолько разбита на узкоспециальные участки, что многие мэтры атомного проекта не знали о существовании друг друга. В 1984 году стоявший у истоков термоядерного проекта Игорь Головин вспоминал: «Во второй половине октября 1950 года мне по телефону позвонил Николай Иванович Павлов. Я только-только начал работать как заместитель Игоря Васильевича [Курчатова], он меня знал хорошо, здесь в лаборатории мы с ним встречались многократно. «Ты, Игорь Николаевич, приходи ко мне. Вот назначаю тебе дату 22 октября. У меня будет твой учитель и Андрей». Я говорю: «Какой Андрей?» — «Ты что, Сахарова не знаешь? Ха, — говорит, — познакомлю тебя, это наш парень! Узнаешь, что он делает, расскажет, что придумал»». Сахаров с Таммом как раз работали над проблемой удержания термоядерной энергии. Таким зубрам, как они, не хватало случая, и он подоспел вовремя. Случай в виде инициативного солдата-срочника.
Вдохновленные идеей солдата-срочника
Олег Лаврентьев родился в 1926 году в семье полуграмотных крестьян из Пскова. Окончил семь классов второй образцовой школы Пскова. Совершенно другая история, чем у коренного москвича Сахарова, чей отец был не только преподавателем физики, но и автором задачника для вузов.
Фото: МАУК «ЦБС» Олег Лаврентьев
Здесь больше подходит определение «Ломоносов XX века». В седьмом классе Олег Лаврентьев увлекся ядерной физикой, когда еще мало кто имел представление, что это такое. А в разгар Великой Отечественной войны Лаврентьев, достигнув восемнадцатилетнего возраста, участвовал в освобождении Прибалтики, за что получил две медали. В воинской части на Сахалине, куда он отправился служить после освобождения острова от японской оккупации, Лаврентьев погрузился в самообразование, пользуясь технической библиотекой и вузовскими учебниками. На денежное довольствие сержанта он подписался на журнал «Успехи физических наук». Случай представился в 1948 году, когда местное командование поручило ему подготовить доклад по ядерной физике. Несколько дней подготовки к докладу перевернули его сознание, и ему пришла в голову идея создания водородной бомбы на основе дейтерида лития. Плодом подготовки к докладу стала работа в двух частях, и во второй части он описал способ получения электроэнергии в управляемой термоядерной реакции. Эта работа необыкновенно вдохновила Андрея Сахарова на дальнейшие поиски. Уже в 1950 году Лаврентьев стал студентом Физико-математического факультета МГУ и тогда же был представлен председателю спецкомитета по атомному и водородному оружию Лаврентию Берии. И дело в том, что Лаврентьеву пришла в голову идея, как можно удержать дейтериево-тритиевую плазму. Как раз над этим бились Курчатов, Сахаров, Головин и Тамм.
Фото: Wikipedia Марка СССР «Изучение проблем управляемого термоядерного синтеза»
«Одно из предложений, присланное летом 1950 года в ЦК партии от <…> Лаврентьева, попадает в отдел Тамма к Сахарову. Младший сержант с десятиклассным образованием предлагал создать условия для термоядерных реакций по аналогии с идущими на Солнце, заменив гравитационные силы, удерживающие от разлета солнечное вещество, электрическими. Положительный и отрицательный потенциалы, поданные на систему сеток, должны были задерживать от разлета электроны и положительно заряженные ядра водорода. Предложение отнюдь не наивное!» — вспоминал Игорь Головин. Когда стали разбираться в нюансах, какие-то моменты оказались несостоятельными. Но солдат-срочник, точнее — сержант Лаврентьев — запустил глобальный процесс и подвел к созданию токамака. «Сахаров понимает, что затея будет иметь практический смысл, только если термоядерную реакцию можно будет сделать самоподдерживающейся. Для этого необходима прежде всего хорошая термоизоляция плазмы от стенок. Нельзя ли использовать для изоляции магнитное поле?» — говорил Игорь Головин.
По этому поводу признанный авторитет в области управляемого термоядерного синтеза академик Виталий Шафранов даже сочинил экспромт:
Вот этот самый дядя,
Что в армии служил,
Без взрыва синтез ядер
Устроить предложил!
Вчерашний сержант и физик-самоучка Олег Лаврентьев получил доступ в святая святых советского атомного проекта — ЛИПАН. Впоследствии он вспоминал:
Для меня это было большой неожиданностью. При встречах со мной Андрей Дмитриевич ни одним словом не обмолвился о своих работах по магнитной термоизоляции плазмы. Тогда я решил, что мы, я и Андрей Дмитриевич Сахаров, пришли к идее изоляции плазмы полем независимо друг от друга, только я выбрал в качестве первого варианта электростатический термоядерный реактор, а он — магнитный
Термоядерный бублик
В мире на тот момент не было единого мнения, как запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию в лабораторных условиях и выйти на трассу практической реализации всего этого. Потенциал-то понимали все, но задача казалась невозможной. И все-таки к токамакам параллельно пришли в Англии и США. В 1946 году британские физики Джордж Паджет Томсон и Мозес Блэкмен подали заявку на патент на тороидальное устройство для термоядерной реакции в газе в результате давления электромагнитного излучения. А идею применить для управляемого термоядерного синтеза плазменную магнитную ловушку с токовыми проводниками, расположенными снаружи замкнутых магнитных поверхностей, выдвинул в 1951 году американский физик Лайман Спитцер, предложивший название для таких систем — стелларатор.
Фото: Oak Ridge National Laboratory / Wikipedia Современный стеллатор
На Западе пребывали в полной уверенности, что СССР до них далеко. К тому же у британцев и американцев были проблемы с практической реализацией задумок. Все это проходило в условиях строгой секретности, и, забегая вперед, только благодаря советским успехам и докладу Курчатова будет снята эта завеса. Сахаров и Тамм предложили использовать этакий «термоядерный бублик». Это и есть токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Он представляет собой камеру в виде бублика, или тороида, с намотанными на нее катушками для создания магнитного поля. Внутри происходит термоядерный синтез, а поле, создаваемое бубликом, удерживает энергию.
Фото: Олег Кузьмин / ТАСС Сотрудник Института атомной энергии имени И.В. Курчатова во время проведения экспериментов на термоядерной установке «Токамак-6» в отделе плазменных исследований
Если говорить детально, токамак — это сам бублик, а в целом это все — дейтериево-тритиевый реактор. Теоретически проект был готов, но оставалось убедить власть в том, что это нужное для страны дело.
Рождение советского токамака
В январе 1951 года в стенах ЛИПАН, Лаборатории измерительных приборов АН СССР, в будущем — Курчатовского института, состоялось заседание. В нем участвовали Натан Явлинский (троюродный дядя политика Григория Явлинского), Игорь Головин и другие ведущие ученые данного направления. Составили проект, в марте 1951 года отослали в Совет министров. А дальше — молчание. Прошел март, прошел апрель. Ученые запаниковали. Затем последовал волшебный пинок из-за рубежа. В апреле из Аргентины поступили сведения, что ученый Рональд Рихтер добился успеха, запустив термоядерную реакцию в газовом разряде.
Фото: Keystone / Hulton Archive / Getty Images Рональд Рихтер
Был риск, что советский токамак пролетит, что СССР опередят. Этого никак нельзя было допустить, поэтому Игорь Курчатов в спешном порядке отправился к Берии, объяснил весь драматизм ситуации, и уже пятого мая вышло в свет первое постановление о термоядерной программе, подписанное Сталиным. В 1954 году (разные источники указывают разные даты — либо июнь, либо ноябрь) в стенах ЛИПАН запустили первый советский токамак. Указывается, что Т-1 собрали Лев Арцимович, Игорь Головин и Натан Явлинский. А в 1956 году, когда повестка сильно изменилась, Хрущев отправил Курчатова на конференцию в Харуэлл, чтобы он рассказал миру об успехах, достигнутых советскими учеными.
26 апреля 1956 года в английском атомном центре в Харуэлле Игорь Васильевич доложил об исследованиях в своем институте, о полученных результатах. «Красный профессор», как его называли журналисты в Англии, призвал научную общественность всех стран к открытому международному сотрудничеству, приглашая зарубежных коллег к себе в институт
Его поддержали один из основателей и лидеров всемирного Движения сторонников мира и Пагуошского движения ученых Фредерик Жолио-Кюри, а также британский физик Джон Кокрофт и другие. Доклад Курчатова способствовал снятию секретности с работ по управляемому термоядерному синтезу в Великобритании и США, сыграл роль катализатора в развитии международного сотрудничества в данном вопросе. С этого момента международные центры начали сотрудничество. Интересно, что США, одни из пионеров в этом деле, заморозили свои работы в данном направлении, возобновив их уже в 1970-х. Этот процесс нашел отражение и в искусстве. В 1961 году на экраны вышла картина Михаила Ромма «Девять дней одного года», перезапустившая карьеру режиссера. Главный герой — одержимый экспериментатор Гусев. Многие сцены показаны условно, но главный драматизм держится на том, что Гусев переоблучается нейтронами от термоядерной установки, и дни его сочтены. Андрей Сахаров в «Воспоминаниях» анализирует фильм, отмечая его достоинства и недостатки. Он еще раз указывает на то, что именно от токамака так облучиться практически невозможно. «Центральный эпизод в фильме — переоблучение Гусева нейтронами от экспериментальной термоядерной установки. На самом деле до такой опасности и до сих пор очень далеко», — Андрей Сахаров «Воспоминания. В двух томах».
***
К 1968 году создали первый функциональный токамак Т-3, разогрев в нем плазму до 11,6 миллиона градусов по Цельсию. Это произвело фурор, и ученые со всего мира отправились в СССР, чтобы измерить температуру плазмы советского токамака.
Фото: Олег Кузьмин / ТАСС Исследования по созданию высокотемпературной плазмы на системе установок «Токамак-3»
Токамак Т-10, запущенный в 1975 году, — первая в мире установка, на которой достигнута температура солнечного ядра. К этому времени американцы вернулись в игру, но только к 1978 году ученые Принстона смогли создать токамак подобный Т-10. В Курчатовском центре установка Т-10 работает до сих пор, и после модернизации там достигли температуры плазмы в 30 миллионов градусов по Цельсию. В Курчатовском центре работают еще два токамака, в том числе первый в мире сферический токамак, построенный в 1999 году. Еще один российский токамак построен в подмосковном Троицке. В мире насчитывается около трехсот токамаков, и до сих пор этот подход видится одним из самых перспективных.
Фото: Олег Кузьмин / ТАСС Подготовка диагностической аппаратуры термоядерной установки «Токамак -10» к эксперименту в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова
Токамаки есть в Казахстане, Китае, Японии, США, Франции, Чехии. Один из крупнейших токамаков на сегодня — ITER во Франции, начатый создаваться еще в середине 1980-х, окончание постройки запланировано на 2035 год. Россия также идет в авангарде процесса. Вскоре стало ясно, что, если Солнцу достаточно 15 миллионов градусов в ядре, в лабораторных условиях требуется разогреть плазму до 100-150 миллионов градусов. К тому же до сих пор не до конца решен вопрос с замыканием цикла, чтобы термоядерная реакция проходила достаточно долго и отдавала тепло на внешние устройства.
Изображение: Oak Ridge National Laboratory / WikimediaСхема современного токамака
По словам младшего научного сотрудника отдела токамаков Курчатовского института Михаила Драбинского, самый реалистичный прогноз перехода на термоядерную энергию — столетие.
Если мы рассмотрим дорожную карту больших экспериментов, таких как ITER, мы увидим, что в 2025-2030 годах начнут проводить эксперименты. Плюс, если все будет успешно, еще минимум 20 лет эти эксперименты будут идти
По его словам, параллельно будут внедрять новые идеи и изобретения, например, компактный реактор. Затем построят демореактор по величине больше, чем ITER, и это займет не менее 30-40 лет. Можно сказать с уверенностью, что работы в данном направлении продолжаются и что именно СССР задал этот вектор всему миру. И нельзя не согласиться с Игорем Курчатовым: интересная наука физика, да жизнь коротка.