Антон Первушин - Кто угрожает России? Вызовы будущего

Даже президент Дмитрий Медведев был вынужден признать, что с мест поступает информация о саботировании энергокомпаниями инвестиционных обязательств. На первом заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России, которое состоялось 18 июня 2009 года, президент прямо так и сказал:

С учетом того, что грядет период замены оборудования и глубокой модернизации существующих электростанций с переходом на уголь, ситуация выглядит совсем аховой. Если правительство не решится пойти на жесткие или даже жестокие меры, Россию и вправду может накрыть «конец света» – в самом прямом, а не переносном смысле.

Теперь можно поговорить и о термоядерной энергетике, которую многие считают панацеей от грядущих энергетических проблем.

А проблемы ожидаются действительно серьезные. В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 17,5 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека, что можно легко оценить и представить: потребляемая каждым жителем Земли, включая детей, энергия соответствует круглосуточной работе двадцати четырех 100-ваттных электрических ламп. Согласно прогнозу Международного агентства по энергетике, мировое потребление энергии к 2030 году увеличится еще на 50 %. При этом основной рост энергопотребления придется на развивающиеся страны, где полтора миллиарда человек в настоящий момент испытывает острую нехватку электрической энергии.

Введение новых энергомощностей на основе ископаемых топлив чреват ускорением потребления невосполнимых ресурсов, что приведет к резкому повышению их стоимости (в том числе за счет исчерпания доступных и разработанных месторождений), а также дальнейшему ухудшению экологической обстановки. Освоение же термоядерного синтеза позволит раз и навсегда решить проблему энергообеспечения – человечество получит дешевый и практически неисчерпаемый источник энергии.

Появления термояда ждут всю вторую половину XX века. Ожидания эти настолько перегреты, что возникла весьма популярная конспирологическая теория, которая гласит: на самом деле термояд изобрели давно, но нефтяные магнаты скрывают это изобретение от народных масс, чтобы не потерять в одночасье свои сверхприбыли. Как и любая конспирология, подобная теория не выдерживает ни малейшей критики и остается темой для фантастической и детективной прозы. Однако понимание этого не отменяет главный вопрос: когда же мы овладеем термоядерной энергией?

Самый первый ответ прост: мы уже овладели термоядерной энергией.

Как ни парадоксально звучит, но это правда. Термоядерная реакция (или ядерная реакция синтеза), при которой осуществляется слияние более легких ядер в более тяжелые, была описана физиками еще в 1910-е годы, однако впервые ее наблюдал великий английский физик Эрнст Резерфорд – в 1919 году он столкнул на большой скорости гелий с азотом, получив водород и тяжелый кислород. Спустя пять лет Резерфорд успешно провел синтез сверхтяжелого водорода трития из ядер тяжелого водорода дейтерия.

Примерно в то же самое время астрофизик Артур Эддингтон выдвинул смелую гипотезу, что все звезды горят благодаря протеканию в их недрах термоядерных реакций. В 1937 году американскому ученому Хансу Бете удалось доказать протекание термоядерных реакций на Солнце – следовательно, Эддингтон оказался прав: звезды действительно черпают свою колоссальную энергию из термоядерного синтеза. Именно эта реакция позволяет Солнцу светить миллиарды лет – подсчитано, что если бы оно состояло из угля или бензина, то выгорело бы за ничтожную тысячу лет.

Идея воспроизведения «солнечного костра» на Земле принадлежала японскому физику Токутаро Хагивара, который в 1941 году высказал предположение о возможности возбуждения термоядерной реакции между ядрами водорода с помощью взрывной цепной реакции деления ядер урана – то есть атомный взрыв должен создать условия (сверхвысокие температура и давление) для начала термоядерного синтеза. Чуть позже к такой же идее пришел Энрико Ферми, который участвовал в создании американской атомной бомбы. В 1946 году под руководством Эдварда Теллера в Лос-Аламосской Лаборатории стартовал первый исследовательский проект в сфере термояда.

Термоядерная эра началась 1 ноября 1952 года, когда американские военные взорвали термоядерную бомбу мощностью 1,4 мегатонны на атолле Эниветок в Тихом океане. В СССР аналогичный эксперимент был успешно осуществлен в 1953 году, в Великобритании – в 1957 году, в Китае – в 1967-ом, во Франции – в 1968-ом.

Таким образом, человечество использует термоядерный синтез уже больше полувека, но пока только в разрушительных целях. Почему же никак не получается использовать его более рационально? Ведь научились же делать атомные реакторы на базе управляемого распада?

Проблема в том, что между урановым распадом и водородным синтезом есть принципиальная разница – последний, как мы помним, осуществляется при чрезвычайно высоких (солнечных) температурах. В недрах звезд температура достигает 15 миллионов градусов, оптимальная же температура для проведения термоядерных процессов с точки зрения энергетики – 100 миллионов градусов. Любое вещество при подобной температуре немедленно превратится в плазму.

Физики быстро придумали решение – они предложили удерживать высокотемпературную плазму внутри «магнитной ловушки». Первые варианты магнитных ловушек были рассмотрены еще в 1946 году в Лос-Аламосе. Однако американским ученым показалось тогда, что подобные «сосуды» неизбежно будут «подтекать», и поэтому дальше вычислений дело не пошло.

В Советском Союзе к идее создания промышленного термоядерного реактора отнеслись с куда большим вниманием. Помог случай. Академик Андрей Сахаров писал в своих «Воспоминаниях», что впервые задумался об осуществлении управляемой термоядерной реакции в 1949 году, однако «без каких-либо разумных конкретных идей». Летом 1950 года из секретариата Лаврентия Берии, курировавшему советский атомный проект, на заключение Сахарову было прислано письмо, отправленное в ЦК ВКП(б) младшим сержантом Олегом Лаврентьевым, который служил на Сахалине радиотелеграфистом. Лаврентьев предложил вполне разумную схему водородной бомбы, а также конструкцию термоядерного реактора, в котором изоляция плазмы осуществлялась за счет постоянного электрического поля. Сахаров в своем отзыве весьма лестно отозвался о Лаврентьеве, но подчеркнул, что электростатическая термоизоляция плазмы неосуществима на практике. Тогда же Сахаров понял, что плазму можно удержать магнитным полем, замкнутым внутри тороидальной (в виде бублика) обмотки. Через несколько дней к этой проблеме подключился ведущий физик Игорь Тамм. Вместе они рассчитали конфигурацию магнитных полей, способных сжимать плазму в тонкий шнур и препятствовать ее падению на стенки камеры. Эти вычисления стали основой программы разработки тороидального магнитного термоядерного реактора, утвержденной Советом министров 5 мая 1951 года. Научное руководство этими исследованиями было возложено на члена-корреспондента АН СССР Льва Арцимовича.