Схема реакции ядерного синтеза с сайта lbl.gov

Термоядерное тепло для всех

Участники международного проекта ITER нашли место будущему реактору

Во вторник в Москве министры Японии, Южной Кореи, Китая, России, США и Евросоюза определили дальнейшую судьбу одного из самых громких научных проектов. Первый термоядерный реактор, ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor, способный генерировать больше энергии, чем потреблять, будет построен на юге Франции, в городе Кадараш. Идея намного более мощного, чем ядерные электростанции, и экологически безвредного источника энергии основана на работах советских физиков Сахарова и Тамма. 29-летний Сахаров в 1950 году предложил использовать для этого реакцию управляемого термоядерного синтеза в плазме, удерживаемой в магнитной ловушке специального вида. Реактор, который, возможно, запустят в 2015 году, будет именно таким.

Чтобы замысел физиков преодолел технические и политические препятствия, понадобилось более полувека.

Идея Тамма и Сахарова - попытка поспорить с популярной историей об Эдисоне, возмущавшемся рецептом "растворителя всего". Такое вещество, по мнению изобретателя-практика, нельзя было бы заключить ни в какой сосуд. Это справедливо и в отношении высокотемпературной плазмы - чтобы в ней протекал термоядерный синтез, нужны десятки миллионов градусов, а материалов, способных выдержать такую температуру, не существует.

Термин "токамак" (ТОроидальная КАмера с Магнитными Катушками) придумали Игорь Головин и Натан Явлинский, которые (вместе с Львом Арцимовичем) сумели изготовить в Курчатовском институте первый образец устройства. Внутри него разогретая индукционными токами плазма перемещалась в поле сверхсильных магнитов, не касаясь стенок камеры.

Проблема состояла в том, чтобы заставить ядра сблизиться на достаточно малое расстояние. Сверхвысокое давление, обеспечивающее это в звездах, объясняется невозможной на Земле силой притяжения. Нужное сжатие обеспечивал и "обычный" ядерный взрыв, и на этом была основана водородная бомба, успешные испытания которой сделали одного из авторов токамака, Андрея Сахарова, академиком в 32 года. Сделать процесс управляемым оказалось намного труднее.

В конце 1960-х годов экспериментаторы добились плотностей и температур, необходимых для термоядерного синтеза. Речь шла о процессе, обратном тому, который протекает внутри обычных ядерных реакторов. Во втором случае энергия выделяется при распаде тяжелых ядер, тогда как в первом - при слиянии легких. Например, дейтерия и трития: физикам было известно, что именно этим обусловлено свечение большинства звезд, но неясно, как воспроизвести "звездный" процесс на Земле.

Американские исследователи Хирш и Фармсворт сумели продемонстрировать первую искусственную термоядерную реакцию в 1967 году. Они использовали предварительно разогнанные частицы, которые разогревали ионизированный газ и увеличивали давление в нем. Тем не менее, до строительства термоядерных электростанций было еще очень далеко: поддержание температуры плазмы тербовало больших мощностей, чем могла дать сама реакция. Несмотря на это, токамаки возникали повсеместно, и "центр тяжести" исследований переместился на Запад. Игорь Тамм умер в 1971 году, а Андрей Сахаров после публикации "Размышлений о мирном сосуществовании" был отстранен от секретных работ тремя годами раньше.

Памятник Сахарову в Ереване. Фото с сайта answers.com

В 1983 году в Великобритании построили реактор JET (Joint European Torus), а в 1982 началась сборка Tore Supra во французском Карадаше - там же, где, согласно решению международной комиссии, будет построен ITER. Два года спустя Япония стала обладательницей токамака JT-60. Но так называемый критерий Лоусона, при выполнении которого выделяется больше энергии, чем расходуется, так и не был достигнут ни на одном из устройств.

Чтобы обеспечить всех дешевой и безопасной энергией, требовались серьезные затраты. Оценка их масштабов заставила представителей нескольких государств затеять совместный проект - Международный эспериментальный ядерный реактор. Первым с таким предложением выступил глава СССР, Михаил Горбачев, в 1985 году. Европа, США, Япония и Канада заявили о готовности сотрудничать.

В 1992 году, после того как цели были сформулированы, началось уточнение технических деталей. В то время, когда германские и японские ученые уже занимались разработкой самого реактора, возникли разногласия по поводу того, где его строить. В самом начале предпочтительной считалась канадская территория: там сосредоточены серьезные запасы трития - самого труднодоступного компонента ядерного топлива. Долгое время он накапливался в качестве побочного продукта работы энергетических реакторов CANDU. Тритий сильно радиоактивен - период его полураспада составляет всего 12 лет (это намного меньше, чем, например, у урана-235, из которого состоят топливные элементы большинства АЭС), поэтому его транспортировка, тем более через океан, была бы связана с техническими трудностями и наверняка вызвала бы протесты экологов. Впрочем, тритий можно получать и из распространенного элемента лития.

Схема реактора с сайта iter.org (кликните, чтобы увеличить)

Аргументами в пользу других мест служила уже развернутая там атомная инфраструктура. Рядом с будущим реактором должна находиться "обычная" электростанция, с помощью которой будут разогревать плазму до требуемой температуры. Учитывались, кроме того, особенности ландшафта, легкость доставки материалов, захоронения отходов и готовность специалистов отправиться на новую "площадку".

Среди кандидатур числились Роккасё в японской префектуре Аомори, Ванделлос в Испании и Кадараш во Франции. Последние две принадлежали членам Евросоюза, и перед участием в общем конкурсе необходимо было определиться, что выбрать. Компромисс был найден в конце 2003 года: Испания уступила Франции право построить у себя реактор - в обмен на размещения у себя европейской штаб-квартиры проекта. Таким образом, до последнего обсуждения дошли только два претендента.

Победителем стал Кадараш, который некоторые из российских экспертов успели назвать "французской Дубной". Небольшой город невдалеке от Марселя вполне соотвествует представлениям о "наукограде". С 1988 там работает токамак на сверхпроводниковых магнитах, родственный будущему реактору. В Кадараше есть атомная электростанция и исследовательский центр - то, что нужно серьезному термоядерному реактору для жизни.

Кадараш, Франция. Источник - fusion-magnetique.cea.fr (кликните, чтобы увеличить)

Вместе с рабочими местами, которые ITER обеспечит на много лет вперед, Евросоюз приобрел обязанность взять на себя половину всех расходов. Как заявили участники совещания, стоимость строительства составит не менее 5 миллиардов долларов, и во столько же обойдется его использование в течение нескольких лет. Александр Румянцев, глава Министерства атомной энергии РФ, сообщил, что Россия компенсирует десятую часть затрат. Причем - не обязательно в денежном эквиваленте: российские ученые изготовят, например, одну из главных деталей реактора - сверхпроводящие магниты.

ITER (название которого, кстати, переводится с латыни как "шаг") будет вырабатывать 7 миллиардов киловатт-часов в год, не производя опасных для окружающей среды веществ. Продукты реакции - инертный гелий и нейтроны, которые легко нейтрализовать. Требования к ресурсам - скромны: 100 граммов дейтерия и три тонны лития в год. Значение для современной цивилизации - сложно переоценить.