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.
Параллельно с советскими учеными американский физик Лайман Спитцер предложил более сложную конструкцию магнитного реактора, который он назвал стелларатором. Первые эксперименты со стеллараторами оказались неудачными, но сегодня с этими системами работают в США, Японии и ФРГ. Примерно тогда же английские и американские физики начали эксперименты с магнитным удержанием газовых разрядов в трубках-бубликах. Позднее были предложены и другие типы магнитных ловушек для плазмы. Однако время показало, что наиболее перспективной является схема Сахарова-Тамма. Именно на ее основе были созданы многочисленные реакторы-токамаки.
Считается, что термин «ТОКАМАК» возник как аббревиатура фразы «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками», однако на самом деле это всего лишь удобная расшифровка уже имевшегося названия.
Основные работы над термоядерными реакторами велись в Институте атомной энергии, который в 1950-е годы «маскировался» под вывеской Лаборатории измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН). Реакторами занималось особое подразделение – Бюро электрических приборов (БЭП), для которого построили отдельный дом рядом со зданием Отдела электроаппаратуры, где под руководством Арцимовича группа физиков занималась электромагнитным разделением радиоактивных изотопов. В феврале 1953 года там состоялся семинар, на котором обсуждали доклад о разработке магнитного термоядерного реактора, подготовленный техническими руководителями проекта Николаем Явлинским и Игорем Головиным. Именно на этом семинаре будущая установка впервые была названа токамаком. Головин тогда сказал, что это просто сокращение от слов «тока максимум». Авторы доклада полагали, что сила тока в тороидальных разрядах намного превысит силу тока в прямолинейных трубках, отсюда и появилось название аппарата. Со временем эта гипотеза была опровергнута, а вот термин «токамак» остался и со временем сделался международным.
Главным элементом конструкции токамака являются катушки, создающие мощное магнитное поле. Эти катушки напоминают гигантские трансформаторы. Рабочая камера токамака заполняется газом, а в катушках возбуждается магнитное поле. В результате пробоя под действием вихревого поля происходит усиленная ионизация газа в камере, отчего тот превращается в плазму. Возникает плазменный шнур, движущийся вдоль тороидальной камеры и разогреваемый продольным электрическим током. Магнитные поля катушек и плазмы удерживают шнур в равновесии и придают ему форму, которая не дает шнуру коснуться стенок и прожечь их.
Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры порядка 10 миллионов градусов, для получения большей температуры используются другие методы. Кроме того, постоянно нагревать плазму током опасно, поскольку он создает собственное магнитное поле, – если оно превысит по силе поле катушек, то скорость движения плазменного шнура сильно увеличится, и он, прорывая теплоизоляцию, коснется стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения в камеру пучков быстрых атомов.
Основные вехи овладения мирным термоядом таковы. В 1954 году сотрудники БЭП приступили к испытаниям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала прообразом будущих токамаков. В конце 1960-х на советском токамаке Т-3А была получена плазма с температурой электронов в 20 миллионов градусов, а ионов – в 4 миллиона и впервые зарегистрировано устойчивое термоядерное излучение плазменного шнура. Через 10 лет принстонский токамак RLT нагрел ионы в плазме примерно до 80 миллионов градусов. В 1995 году на другом американском токамаке TFTR температура ионов была доведена до 510 миллионов градусов; позднее этот рекорд превзошел японский токамак JT-10, который разогрел ионы до 520 миллионов градусов.
Однако разогрев до солнечных температур – это самое начало пути. Токамак не является энергетической установкой – наоборот, он жрет энергию, ничего не давая взамен. Термоядерная электростанция должна строиться на иных принципах.
Прежде всего физики определились с топливом для термояда. Хотя принято писать о термоядерной энергетике как о «солнечной», эта метафора не вполне уместна. Основой внутрисолнечного термоядерного синтеза является так называемый водородный цикл, в ходе которого четыре протона превращаются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Этот цикл включает в себя несколько ядерных реакций, скорости которых зависят от температуры и плотности солнечных недр. Первая из них – превращение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем требует примерно 14 миллиардов лет (что сопоставимо с возрастом нашей Вселенной). Конечно же, некоторым протонам удается встретиться и объединиться и за меньшее время – ведь будь иначе, термоядерная печь в центре газопылевой туманности, которая 4,5 миллиарда лет назад дала начало нашему Солнцу, не зажглась бы и до сих пор. Однако из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мала. Звучит парадоксально, но один грамм солнечной материи выделяет меньше тепла, чем грамм человеческого тела! Исполинская мощность излучения Солнца объясняется его гигантской массой, но в качестве источника энергии для электростанций водородный цикл явно не подходит.