Кандидат физико-математических наук Л. Г. ГОЛУБЧИКОВ, советник по науке Координационного центра "Управляемый термоядерный синтез - международные проекты" при Российском научном центре "Курчатовский институт"

Реализация проекта международного термоядерного экспериментального реактора станет решающей проверкой для полувековой истории соответствующих исследований. Общие затраты на них в мире превзошли 30 млрд. дол., и человечество вправе поставить вопрос, будет ли освоен этот вид энергетики, и если да, то как скоро? Ведь по большому счету от ответа на него зависит судьба нашей цивилизации.

Ученые-ядерщики с широкими взглядами на природу и общество всегда понимали, что решать эту проблему надо общими усилиями, невзирая на социальные, политические, культурные, религиозные и прочие различия между государствами и народами. И мы гордимся, что именно наш соотечественник академик И. В. Курчатов еще в 1956 г., выступив с докладом в британском Атомном центре (г. Харуэл), сорвал завесу секретности с термоядерных исследований в СССР и тем призвал коллег из разных стран объединить знания и опыт в решении столь трудной, но благородной глобальной задачи.

ПОЧЕМУ НАМ НУЖНА ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Существует большой массив статистических данных, четко указывающих на зависимость дохода на душу населения, уровня и продолжительности жизни от количества и качества потребляемой энергии. Оптимальным ее видом в наше время является электрическая, получаемая большей частью (свыше 70%) за счет сжигания органического топлива - сконцентрированной солнечной энергии, накопленной растительным миром за миллионы лет. А ведь еще в 1900 г. великий ученый Д. И. Менделеев говорил: "Топить нефтью - все равно, что топить ассигнациями!" и был прав - добываем и сжигаем мы черное золото с кпд менее 35%, не думая, что это еще и сырье для многих отраслей промышленности, а ресурсы его не бесконечны.

Надолго ли хватит человечеству ископаемого топлива? Например, в 1972 г. всемирно известный создатель теории цепных реакций, лауреат Нобелевской премии академик Н. Н. Семеноз сделал соответствующие расчеты Согласно им, разведанные запасы угля, нефти и газа мы израсходуем за 50 - 60 лет. И это без учета проблемы растущего населения Земли. Так вот, именно столько времени нам отпущено природой на освоение нового источника энергии. Напом-

стр. 23

Динамика мирового производства и потребления энергетических ресурсов.

ним: первый атомный реактор, созданный Э. Ферми в США, заработал в 1942 г., а доля энергии, вырабатываемая во всем мире на атомных электростанциях, только сейчас приблизилась к 10% от общей.

Многие говорят: "Вы забыли ветер, приливы, внутреннее тепло Земли (гейзеры и т.д.), Солнце!". Увы, самые тщательные оценки показывают: все вместе взятые названные источники не обеспечат и 15% необходимого количества энергии ^* .

Таким образом, все пути ведут к ядерной энергетике. Она возможна в двух видах: первый - контролируемое или взрывное деление тяжелых элементов, второй - реакция синтеза более тяжелых из легких, т.е. термоядерная, подобная протекающей в недрах Солнца и других звезд. Что касается запасов топлива, то установки для осуществления деления и синтеза (с учетом реакторов- накопителей, предназначенных для получения ядерного "горючего") обеспечены им на 5000 и 1 000 000 лет соответственно. Конечно, оба этих временных масштаба осмыслить непросто, однако приведенные цифры говорят в пользу термоядерного реактора. И еще: он в принципе не способен взорваться, поскольку сам "гасится" при любом отклонении от заданного режима эксплуатации. А если добавить, что потенциальная биологическая опасность установок второго типа в 10 ³ (пессимисты) - 10 (оптимисты) раз ниже, чем у первого, то станет ясно: реальное решение энергетической проблемы связано именно с использованием реакции синтеза.

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ...

В июне 1950 г. служивший на Сахалине сержант О. А. Лаврентьев направил руководству нашей страны письмо с предложением осуществлять управление термоядерной реакцией с помощью электростатического поля. Отзыв по сути вопроса попросили дать А. Д. Сахарова (академик с 1953 г.). Ученый с вниманием отнесся к соображениям Лаврентьева, отметив важность поставленной им проблемы. Более того, по признанию Андрея Дмитриевича, именно это письмо навело его на мысль о магнитной термоизоляции плазмы. В 1951 г. он вместе со своим учителем И. Е. Таммом (академик с 1953 г.) разработал теорию магнитного термоядерного реактора, которая впервые была опубликована через 7 лет в четырехтомнике "Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций".

Дополнительным толчком к началу работ в СССР в этом направлении послужило заявление президента Аргентины Х. Перона от 25 марта 1951 г. об успешном "контролируемом высвобождении атомной энергии при сверхвысокой температуре в миллион градусов без использования уранового топлива" в экспериментах немецкого физика-эмигранта Р. Рихтера, работавшего в специально созданной лаборатории (остров Хьюзшел на реке Парана).

Официальной точкой отсчета развертывания в СССР термоядерных исследований считается 5 мая 1951 г., когда И. В. Сталин подписал соответствующее постановление.

50-е годы XX в. можно назвать попыткой штурма термоядерной крепости со всех сторон. Первые опыты проводили с тороидальными разрядными камерами (в форме спасательного круга или бублика) из стекла, затем из кварца и фарфора. В конце концов пришли к цельнометаллической камере с разрезом по внешней поверхности и отверстиями для диагностических окон. Надетые на нее катушки создают тороидальное магнитное поле, т.е. по форме разрядной камеры, а протекающий по плазме ток, силовые ли-

^* См.: П. П. Безруких. Перспективы возобновляемой энергетики. - Наука в России, 2003, N4 (прим. ред.).

стр. 24

нии которого формируют магнитную оболочку (полость), - полоидальное. Такая комбинация полей образует сетку из спиральных линий, на которые "наматываются" и тем самым удерживаются ионы и электроны плазмы. Ток в металлической стенке камеры течет в направлении, противоположном току в плазме, и отталкивает ее. Это и есть одно из основных свойств системы, именуемой токамаком.

НЕЗАПАТЕНТОВАННАЯ РУССКАЯ ИДЕЯ, СТАВШАЯ ВСЕОБЩИМ ДОСТОЯНИЕМ

Первая установка такого типа была создана в 1954 г. Название ей дал доктор физико-математических наук И. Н. Головин, заместитель И. В. Курчатова, бывшего тогда директором Лаборатории измерительных приборов АН СССР (затем Институт атомной энергии, ныне - Российский научный центр "Курчатовский институт"). Однажды в Лабораторию приехал ответственный чиновник для подготовки визита высокого начальства, желавшего ознакомиться с новой системой, и дал указание срочно подобрать ей звучное имя. И. Н. Головин думал всю ночь, а утром предложил создателю установки инженеру Н. А. Явлинскому название "токамаг" - тороидальная камера магнитная. Но "маг" звучало загадочно-мистически, и окончание решили смягчить. Так появился "токамак".

Научным руководителем работ по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в те годы правительственным решением был назначен член-корреспондент АН СССР Л. А. Арцимович (академик с 1953 г.). Именно он взял на себя смелость сделать выбор в пользу токамаков. Как трезвый аналитик, он понимал, что "спокойное" развитие работ по такой сложной проблеме потребует многих лет и огромных человеческих и финансовых ресурсов. А они ограничены даже в самом богатом государстве. Поэтому для успешного приближения к цели необходимо, по словам Льва Андреевича, "чтобы научная программа была ориентирована на разработку наиболее актуальных вопросов и не загромождалась обломками тематики, потерявшей значение и сохраняющейся по инерции".

Вскоре произошло событие, подтвердившее правоту его решения. В 1960 г. под руководством Н. А. Явлинского в Институте атомной энергии был сооружен новый крупный токамак Т-3, разработанный и изготовленный в ленинградском Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (НИИЭФА). А через два года на нем начали полномасштабные физические эксперименты. Достигнутые через некоторое время результаты оказались феноменальными. Доклад Л. А. Арцимовича на 3-й Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, организованной Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) в Новосибирска (1968 г.), о полученных на Т-3 параметрах плазмы произвел сенсацию, а кое-кем был встречен даже с недоверием. Но в 1969 г. англичане провели на этой установке измерения привезенной ими аппаратурой (с помощью лазерной диагностики), подтвердившие правильность данных, полученных нашими учеными. С этого года началось шествие токамаков практически по всем термоядерным лабораториям мира.

Тогда эксперименты и теоретические выводы подсказывали, что дальнейшее продвижение к термоядерным параметрам будет определяться размерами установок (объемом плазмы), вакуумными условиями, точностью магнитной конфигурации и дополнительным нагревом плазмы. В США крупнейший стелларатор ^* "С" срочно переделали в токамак и начали строить еще одну установку тако-

^* Стелларатор - замкнутая разрядная камера, и которой система проводников с током и катушек создает весьма сложную магнитную конфигурацию для удержания высокотемпературной плазмы (прим. ред.).

стр. 25

го же масштаба - PLT. А в нашей стране в 1967 г. приступили к конструированию мощного токамака Т-10, с которым связывали надежды "увидеть свет в конце туннеля". В 70-е годы развернулось мирное соревнование термоядерщиков: кто быстрее построит свою установку - СССР или США. Причем дело было не в престиже, а в понимании значимости экспериментальных результатов: повторение параметров плазмы на независимо друг от друга построенных токамаках подтверждало бы верность заложенных в них идей. А дальше уже можно было продвигаться по пути отработки реальных прототипов и систем будущего опытно-промышленного термоядерного реактора.

В работе над токамаком Т-10 принимали участие десятки научных учреждений и предприятий страны, в том числе НИИЭФА и ленинградский завод "Электросила". И 30 июня 1975 г., за день до срока, намеченного правительственным решением, и на несколько месяцев раньше PLT состоялся торжественный пуск Т-10. Вскоре на нем получили расчетные параметры плазмы, полностью оправдавшие прогнозы физиков и инженеров ^* .

НАЧАЛО МЕЖДУНАРОДНОГО СОТРУДНИЧЕСТВА ПО РЕАКТОРАМ СИНТЕЗА

После триумфального выступления в Новосибирске Л. А. Арцимович получил много приглашений от зарубежных научных центров. Рассказывая об успехах работ на токамаках, он призывал к международному разделению научного труда. Почему бы странам, ведущим исследования в этой сфере, не объединиться в рамках общей скоординированной программы при условии полного и свободного обмена информацией? Ученый высказал предложение сформировать соответствующий орган под эгидой МАГАТЭ. Его поддержали руководители последнего, ив 1971 г. был организован Международный совет по термоядерным исследованиям (МСТИ). Особо следует отметить активную роль в "пропаганде" целесообразности, а затем и налаживании сотрудничества, в частности по проекту международного экспериментального реактора, американского физика Д. Роуза.

В нашей стране тем временем стали готовить научно-техническую базу для обоснования проекта такого реактора. В научно-техническом совете Министерства среднего машиностроения (ныне Министерство РФ по атомной энергии) образовали секцию по инженерным вопросам термоядерных исследований, при АН СССР и Государственном комитете по использованию атомной энергии - Координационный совет по исследованию и созданию конструкционных материалов. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте неорганических материалов начали изыскания по тритиевым проблемам термоядерных реакторов и изготовлению новых сверхпроводящих материалов для магнитной системы токамака. Ответственность за всю электрофизику реактора взял на себя НИИЭФА.

В 1977 г. директор Института атомной энергии им. И. В. Курчатова академик А. П. Александров обратился к руководству СССР с предложением выйти на мировую арену с инициативой международного сотрудничества в работе над проектом термоядерного реактора. 5 мая 1978 г. решение было принято, и в том же месяце наши представители выступили с соответствующим заявлением на очередном заседании МСТИ. Так было положено начало созданию межгосударственной кооперации по проектированию установки, названной ИНТОР (интернациональный токамак-реактор). Однако по ряду причин все завершилось не подготовкой реального проекта, а предложениями отдельных концептуальных систем и анализом мировых достижений по физике высокотемпературной плазмы.

Стороннему наблюдателю-неспециалисту может показаться, что ученые, занятые в этих работах, по выражению Л. А. Арцимовича, "удовлетворяли свое любопытство за государственный счет". Тем не менее их труд принес ощутимые плоды. ИНТОР стал "крестным отцом" международного реактора следующего поколения - ИТЭРа. Результаты исследований интернационального коллектива и одновременный ввод в строй новых токамаков показали: это пока единственные установки, по которым нет принципиальных возражений на пути к термоядерному реактору, причем наиболее проработанным из этой категории оказался проект ИНТОР. Кроме того, стало ясно: физики перешагнули "критическую массу" эксперимен-

^* См.: В. А. Глухих и др. На пороге термоядерной эры. - Наука в России, 2003, N 3 (прим. ред.).

стр. 26

стр. 27

тальных и теоретических данных, и дальше судьбу будущего реактора должен решать его величество Эксперимент. Опубликованные же труды И НТО Ра еще долго будут служить пособием для занимающихся термоядерной проблемой.

Параллельно с ИНТОРом США и Япония разрабатывали национальные проекты токамаков, которые в случае возникновения трудностей с международным реактором должны были выполнить его задачи, а при успешной реализации послужить развитию национальных технологий управляемого термоядерного синтеза с учетом опыта совместной работы. Аналогичная стратегия была и у нашей страны. В Институте атомной энергии подготовили целевую программу создания экспериментального энергетического термоядерного реактора-токамака ОТР.

Однако после Чернобыльской аварии 1986 г. отношение и руководства СССР, и общественности, и большой части научно-технических работников к ядерной энергетике изменилось не в лучшую сторону, и от национального проекта решили отказаться в пользу международного. Новый виток сотрудничества в данном направлении, как и ранее, начался по нашей инициативе, и весной 1987 г. состоялась первая встреча представителей США, СССР, Японии и Европейского Союза, посвященная этому вопросу. Название ИТЭР - интернациональный термоядерный экспериментальный реактор - тоже предложили мы при активной поддержке японцев и европейцев.

ИТЭР

С самого начала было решено: основная задача ИТЭРа - демонстрация научной и технической возможности использования термоядерной энергии в мирных целях. Для ее осуществления требуется достичь контролируемого зажигания и длительного (в конечном счете постоянного) горения дейтериево-тритиевой плазмы, устойчивой работы всех узлов и систем в единой конструкции при высоких тепловых и нейтронных нагрузках.

После завершения первой стадии работ - концептуального проектирования - представители Европейского общества по атомной энергии (Евратом), США, Японии и России решили продолжить сотрудничество на стадии технического проектирования. Кроме того, стороны договорились сформулировать требования к строительной площадке ИТЭРа, провести расчеты по безопасности, воздействию на окружающую среду функционирующей установки, подготовить программу и график ее ввода и последующего снятия с эксплуатации и т.д.

К 1998 г. технический проект был закончен и критически проанализирован. В феврале 1998 г. на очередном заседании итэровцы предложили странам- участницам продлить соглашение о взаимодействии на три года для привязки проекта к месту строительства и решения других вопросов, связанных с вводом реактора в эксплуатацию. Тем временем американские представители по поручению Конгресса США высказали соображения об изменении задач реактора с целью снижения его стоимости. Совет ИТЭРа организовал специальную рабочую группу, которая должна была продумать соответствующие предложения, но с 1 января 1999 г. американцы неожиданно вышли из состава Совета. Расчеты по уменьшению затрат (приблизительно на 50%) на создание установки и, следовательно, ее параметров были проведены, хотя проектанты сделали все от них зависящее, чтобы сохранить надежду на возможность самозажигания плазмы и воплощение намеченных планов. "Модернизированный" проект обсудили не только страны-участницы, но и независимая группа экспертов, признав его готовым к реализации.

В июле 1999 г. в Гренобле состоялась встреча директоров национальных термоядерных программ, которая фактически была заседанием Совета ИТЭР. Естественно, неофициально речь зашла о том, как быть дальше с продлением соглашения о международном реакторе. Ни у кого из участников разговора конкретных предложений не было. Все с надеждой смотрели на президента РНЦ "Курчатовский институт" академика Е. П. Велихова. И на этот раз Россия сыграла роль глюона, не позволившего кварку ИТЭРа развалиться. Евгений Павлович, председательствующий на совещании, спросил присутствующих, как они отнесутся к предложению министра РФ по атомной энергии организовать в Москве неформальную встречу для подготовки официальных переговоров. Напряжение было снято, тут же согласовали приемлемые для всех сроки и направления писем-приглашений от министра по атомной энергии Е. О. Адамова.

Первыми площадку для сооружения международного детища предложили канадцы. На симпозиуме "Дни ИТЭР в Москве" (июнь 2001 г.) посол этой страны по поручению своего правительства заявил о возможности предоставить участок на северном берегу озера Онтарио, к востоку от города Торонто. Так было выполнено необходимое условие для перехода к следующей стадии переговоров по сотрудничеству.

Очередной раунд официальных переговоров состоялся в феврале 2003 г. в Москве. Он знаменателен тем, что к участникам "команды" присоединились США и КНР. Китайская сторона наметила три этапа вхождения в международную кооперацию: изучение проделанной работы на стадии технического проектирования, участие во всех промежуточных этапах и максимально возможный вклад в успешное претворение этих планов. Главная же задача американцев - обеспечение эффективного управления реализацией мегапроекта уникальной сложности во время сооружения установки. На роль же "хозяйки" помимо Канады уже претендуют Франция, Япония и Испания.

Работы интернационального коллектива продолжаются. Оглядываясь назад, мы с гордостью можем сказать: именно наша страна стала инициатором создания ИТЭРа и ее вклад на начальной стадии работ был основным.

Постоянный адрес данной публикации: