«Бублик» с изюминкой

Токамак (от «тороидальная камера с магнитными катушками) – один из типов установок по созданию и удержанию высокотемпературной плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). Принцип его работы сводится к длительному удержанию в электромагнитном поле раскалённой плазмы тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития). В высокотемпературной плазме непрерывно происходит реакция ядерного синтеза этих элементов с выделением гелия.
Отличительной особенностью установки является её тороидальная форма (в народе – бублик). Электрический ток, текущий в катушках обвивающих «бублик» создаёт электромагнитное поле. За счёт этого поля высокотемпературная плазма сжимается и удерживается в замкнутом пространстве без контакта со стенками установки.
На научной передовой
Пионером и лидером разработок магнитного управляемого синтеза считается СССР, хотя советские и американские исследователи шли буквально «ноздря в ноздрю». Советские учёные, академик И.Е. Тамм и А.Д. Сахаров, в то время кандидат наук, в 1950 году изложили основные принципы работы установки типа токамак, а академик И.В. Курчатов, как научный руководитель советской атомной отрасли, принял решение о создании экспериментальных установок для их реализации.
Немногие знают, что сама идея использовать термоядерный синтез в энергетике принадлежит, казалось бы, далёкому от науки человеку – советскому солдату Олегу Лаврентьеву, проходившему в 1950 году срочную службу на Сахалине. После сообщения о том, что президент Трумэн, выступая перед конгрессом США, призвал американских учёных к форсированию работ по водородной бомбе, сержант Лаврентьев, увлекавшийся физикой, решил: пора действовать. Он отправил сообщение в Москву, где предлагал, в том числе, использовать энергию синтеза изотопов. Принципиальным моментом в его идее было обоснование возможности удержания высокотемпературной термоядерной плазмы от контакта со стенками реактора за счёт электрического поля.
Предложение Лаврентьева заинтересовало ведущих физиков СССР. Его самого немедленно демобилизовали и вызвали в Москву. В столице он поступил на физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова и учился там по индивидуальной программе. По окончании университета Лаврентьев был направлен в знаменитый Харьковский физический институт, где продолжал заниматься физикой плазмы.
В связи с этим стоит упомянуть и будущего нобелевского лауреата Андрея Сахарова. Он по достоинству оценил идею Леонтьева и взял её за основу своей концепции магнитного удержания плазмы в токамаках, о чём позже не раз упоминал. По расчётам Сахарова и академика Игоря Тамма, удержание плазмы в установке в форме «бублика» будет эффективнее благодаря тому, что силовые линии магнитного поля не будут образовывать «дырки».
В 1951 году американским исследователем Лайманом Спитцеросом была выдвинута схожая идея удержания высокотемпературной плазмы – стелларатор (от лат. stella – звезда). В таких установках плазма удерживалась также за счёт магнитных полей, но несколько иной конфигурации. А сама конструкция установки оказалась более сложной.
В СССР первая установка ТМП (тор с магнитным полем), прообраз токамака в сегодняшнем понимании, была построена в 1955 году.
«Без друзей меня чуть-чуть, а с друзьями много»
Казалось бы, работы по получению практически неисчерпаемого источника энергии должны быть засекречены наряду с разработками термоядерного оружия, но благодаря академику Курчатову уже в 1956 году работы по УТС рассекретили. Именно он понял, что проблема такого масштаба требует международной кооперации.
«Термоядерный бум» в мире начался в конце 1960-х, когда в 1968 году советскими физиками была зафиксирована и впоследствии подтверждена учёными из Великобритании плазма, разогретая до 10 миллионов градусов. Но тут возникли трудности.
«Существует множество технически-технологических проблем удержания плазмы, – отметил доктор физико-математических наук, академик РАН и сотрудник ФИАНа Олег Крохин. – Вся система (разогретая плазма в электромагнитном поле – ред.) крайне неустойчива, плазма находит каналы, отверстия в магнитном поле и исчезает».
Но кроме пробелов в изучении физики плазмы, масштаб чисто инженерных проблем был колоссальный. Дело в том, что для получения мощного магнитного поля нужно создать условия для сверхпроводимости материалов, что означает экстремально низкие температуры – чуть выше абсолютного ноля. А плазма, окружённая этими сверхпроводниками, должна быть нагрета до сотен миллионов градусов, дабы частицы в ней разогнались настолько, чтобы началась реакция ядерного синтеза. Нужно было в пределах реальных физических размеров буквально соединить лёд и пламя.
В течение нескольких десятилетий в разных странах было построено множество экспериментальных установок для управляемого «термояда». Были проведены сотни экспериментов и изучены основные закономерности поведения высокотемпературной плазмы.
Но до сих пор ни в одной из этих установок экспериментально не был получен такой объём энергии, который превысил бы затраченный на запуск токамака.
Развитие технологий лишь подтвердило, как много теоретических аспектов ещё предстоит объяснить учёным. Плазма оказалась куда более сложным веществом, чем предполагали в середине XX века. Сегодня физика плазмы – это отдельное, динамично развивающееся направление.
В определённый момент стало ясно, что экспериментальные установки, построенные усилиями одной страны или организации, не смогут работать в режиме действующего реактора. Нужны принципиально другие физические размеры реактора. Тогда, в начале 1990-х годов, наработки разных стран в этой области было предложено объединить в международном проекте. Причём каждая из стран-участниц должна была внести свой вклад не столько финансами, сколько знаниями и технологиями.
Этим проектом стал ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor), в котором участвуют специалисты из России, США, Евросоюза, Японии, Китая, Индии и Южной Кореи. Его строительство осуществляется на юге Франции в исследовательском центре Кадараш, в 60 километрах от Марселя. Проект призван объединить лучшие заделы мировых лидеров в данной области и выйти на выработку энергии в промышленных объёмах. Главной отличительной чертой интернационального проекта станет размер реактора: помимо токамака в здании на семи этажах разместится более 30 сопровождающих систем: электрогенераторов, систем охлаждения и нагрева, прочих устройств, а сам «бублик» будет весить 23 тысячи тонн.
Несмотря на внушительный срок, прошедший с момента анонсирования проекта, сам экспериментальный реактор ещё не построен. В октябре 2014 года ТАСС со ссылкой на руководителя проектного офиса «ИТЭР-Россия» Анатолия Красильникова сообщило, что получение первой плазмы в реакторе, ранее намеченное на 2020 год, откладывается на два-три года. А от получения первой экспериментальной плазмы до внедрения технологии в производства может пройти ещё немало лет.
Камнем преткновения стало и финансирование международного проекта. Его стоимость неуклонно растёт, поскольку с учётом результатов экспериментов на других установках приходится вносить изменения в проект. Возникают и неожиданные препятствия. Например, после инцидента на АЭС «Фукусима–1» в Японии, ИТЭР вынужден был пройти новую независимую экспертизу надёжности возводимого объекта.