К 75-летию начала термоядерных исследований в СССР. Когда и где мы построим Солнце на Земле?

Государство готово платить, прежде всего, за свою безопасность, а потом уже за все остальное – и термоядерная тематика тому яркий пример. Изначально атомный проект создавался ради атомного оружия. Оно было сделано на основе реакции деления тяжелых ядер, но довольно быстро нашли технические и технологические возможности, чтобы использовать не реакции деления, а реакции синтеза – потому что они более энергоемкие, имеют бóльшую возможность взрывным способом выделять энергию. Так появился термояд. О его истории и перспективах рассказывает директор Института Лазерных и плазменных технологий, проректор НИЯУ МИФИ, профессор Андрей Кузнецов.

ИТЭР, Международный экспериментальный термоядерный реактор

По хронологии событий это хорошо видно: первая атомная бомба в СССР – 1949 год (в Америке – 1945), первое термоядерное изделие (еще не бомба) в США в 1953, а термоядерная бомба (в корпусе) – в СССР тоже в 1953 году. Естественным образом появилась сразу идея использовать эту взрывную технологию в мирных целях для наработки энергии. Для реакции деления это было просто, потому что наработка оружейного урана и плутония – это работа реакторов. При этой наработке реактор выделяет тепло, и уже легко сообразить, что оно может, условно, «кипятить самовар», из которого пойдет пар, заводя турбину – это обычный тепловой цикл любой работающей ТЭЦ. Поэтому переход реакторов для наработки оружейных изотопов к реакторам для производства электричества был сделан очень быстро.

Что такое термоядерный синтез?

Реакторы для наработки изотопов, реакторы для подводных лодок были очень близки по своим возможностям, при не больших переделках они уже годились для мирного атома. С термоядом сложнее. Природа для нас уже многое сделала: миллиарды лет в результате взрывов звезд во вселенной синтезировались тяжелые элементы. Наше Солнце относится к четвертому поколению, наша планета и мы, по существу, состоим из останков взорвавшихся звезд. Но, так устроено в природе, что тяжелые ядра не стабильны. Всё, что тяжелее железа, может самопроизвольно «разрушиться», а кинетическая энергия разлета осколков этих ядер и является ядерной энергией. Кроме осколков деления в ряде реакций возникают нейтроны, запускающие волну цепной реакции. Управляя по сути количеством таких вторичных нейтронов, можно регулировать скорость выделения ядерной энергии от взрыва к «медленному горению».

Однако, когда речь идет о синтезе ядер (термоядерная реакция), то сначала нужно совершить работу, то есть затратить энергию, чтобы столкнуть эти ядра. В природе эту работу совершает гравитация, сжимая водород в звездах и запуская термоядерное горение.

Как запустить термоядерный синтез на Земле? Мы знаем, что частицы с одинаковыми зарядами отталкиваются, с разными зарядами – притягиваются. Берем два протона (это «кирпичики», из которых состоят ядра) и пытаемся их соединить в один атом – они отталкиваются. Но тут природа приготовила нам подарок. Оказывается, что если сблизить положительно заряженные ядра (протоны) очень близко, до расстояния 10^-15м, то силы притяжения (не кулоновские) окажутся там сильнее, чем силы отталкивания, и ядро соберется в целый комок. Делением ядер мы можем управлять, вводя поглотитель нейтронов и уменьшая, таким образом, коэффициент размножения нейтронов в цепной реакции, а в термоядерной реакции у нас нет такого инструмента: мы должны просто нагреть вещество, но температура, до которой мы должны его нагреть, чтобы энергия столкновений была больше, чем кулоновское отталкивание должна быть… сотни миллионов градусов, в 10 раз больше, чем на Солнце!

На Земле или в космосе?

Конечно, в космосе, где абсолютный вакуум, это будет сделать проще – там нет необходимости создавать стенки для плазмы. Но это только на первый взгляд – как это еще там всё построить, мы не знаем. Это же все равно надо собрать на Земле, отправить в космос, научиться управлять этими установками там… Поэтому пока вернемся на Землю: здесь мы уже научились делать «стенки» для термояда, правда, только в бомбах.

Как происходит термоядерный взрыв? Сначала взрывается обычный атомный заряд, и затем за счет радиационной имплозии (очень большого потока рентгеновского излучения) он начинает сжимать термоядерный заряд, который тоже взрывается. Над этим работали лучшие физики середины ХХ века, и они даже научились делать мирные термоядерные взрывы: более 1000 мирных взрывов было произведено в разных целях, например, для тушения пожара на газовом месторождении, при строительстве каналов и др. Но как сделать термоядерную реакцию длительной? Вот наша цель и мечта.

Токамак или стелларатор

5 мая 1951 года Сталин подписал историческое постановление о начале в СССР работ по термоядерному синтезу. Этому событию предшествовало письмо, написанное физиком-самоучкой Олегом Лаврентьевым в ЦК ВКП(б). Лаврентьев – солдат-срочник, проходивший после Великой Отчественной войны службу на Сахалине. Он любил физику с детства, и, хотя закончил до войны всего 7 классов, в свободные часы читал физические учебники для вузов, выписывал журнал «Успехи физических наук» и придумал, как можно удержать плазму электрически. Его письмо из ЦК ВКП (б) передали Андрею Сахарову и Игорю Тамму, и они довольно быстро рассчитали, что это возможно, но только при магнитном удержании: можно удержать плазму, создавая внешнее магнитное поле. Внешнее поле позволит оторвать плазму от стенок, и она тем самым будет находиться в вакууме, не остывая, а электрический ток, протекающий в плазме, будет ее разогревать. Эти работы наших ученых были сделаны почти одновременно с американскими – мы назвали такую систему токамаком (тороидальная камера с магнитными катушками), а американцы – стелларатором (от stella – звезда с ит.яз.). У американцев была другая идея: в токамаках есть собственное магнитное поле витка плазмы, и внешнее поле, а в стеллораторах всё определяется внешними магнитными полями – это более сложная конструкция. До токамака Т-3, построенного в Курчатовском институте, мы шли с ними параллельно.

Революционное событие произошло в 1956 году, когда в английском атомном центре в Харуэлле с докладом о результатах исследований советских ученых по проблеме управляемого термоядерного синтеза выступил Игорь Курчатов. Он рассказал о наших работах по токамакам, привел цифры по температуре, которую мы смогли достичь в плазме – более 10 млн градусов. Ему сначала не поверили. Англичане приехали в СССР и в Курчатовском институте провели измерение температуры на своих собственных приборах – она оказалась даже выше, чем озвучил тогда Курчатов. В результате американцы почти полностью свернули свою программу по стеллораторам и стали строить токамаки. Идея токамаков стала центральной в термоядерной программе разных стран – они стали основным инструментов в экспериментах по магнитному удержанию плазмы и достижения термоядерного горения. Но до международного сотрудничества было еще очень далеко. Отмечу, что до начала 1980-х годов СССР был лидером в этой сфере. 

Виды термоядерного синтеза

Основные направления современных термоядерных исследований – это синтез с магнитным удержанием (в токамаках) и инерциальный синтез (в мишенной камере с помощью лазера можно генерировать импульсы высоких энергий).

Сначала про магнитное удержание – как его сделать? Зажечь плазму, нагреть ее и какое-то время удерживать в нагретом состоянии при определенной плотности частиц, чтобы они успели прореагировать: это то, что будут делать в ИТЭР, и что уже делали в токамаке «ДЖЭТ» (JET, Joint European Torus – Объединённый европейский токамак) в Великобритании. Критериями успешности этих экспериментов являются три параметра: температура, до которой мы нагрели плазму, концентрация частиц в кубическом сантиметре и время удержания. По итогам последних мировых экспериментов уже можно говорить, что мы достигаем нужных температур, а время удержания плазмы на токамаках в Китае и Франции уже достигает 20 минут. ИТЭР же планирует работать в квазистационарном режиме. К слову, в НИЯУ МИФИ есть свой токамак МИФИСТ. Наш токамак создавался для подготовки кадров в области управляемого термоядерного синтеза для крупных российских установок и международного экспериментального термоядерного реактора ITER. Сейчас это уже действующая установка, которая используется и для решения ряда актуальных научно-технологических задач: ускоренной отработки технологий эксплуатации обращенных к плазме материалов и отработки методов анализа взаимодействия с ними плазмы, исследования физики удержания плазмы в сферическом токамаке и других.

А как устроен инерциальный синтез? Он очень похож на то, как взрываются термоядерные бомбы – время удержания в этом случае равно длительности времени пока вещество не успело разлететься в момент микровзрыва (инерциальное время разлета вещества). То есть это очень короткие процессы (миллиардные доли секунды), но они компенсируются более высокими плотностями вещества (там плотность плазмы больше в сто раз, чем плотность твердого тела). Мы, по сути, должны сжать вещество очень плотно, и тогда хватит очень короткого времени, чтобы оно «сгорело». Энергии при этом выделится столько же, сколько и при магнитном удержании, потому что калорийность реакции будет одна и та же. То есть либо дольше время, но ниже плотность плазмы, либо короче время, но больше плотность. Принцип получения инерциального синтеза очень похож на то, как работает двигатель внутреннего сгорания: мы вбрасываем топливо, оно сжимается, разогревается, холопок и поршень пошел вниз, и затем повторяется все снова. Такая установка уже работает в США – это NIF (National Ignition Facility), Национальный научный комплекс по исследованиям инерциального термоядерного синтеза, инициируемого лазерным излучением. Лазерные установки для термоядерного синтеза есть также в России, Китае и Франции. В апреле 2025 года на NIF достигнут рекорд: энергия, полученная в результате термоядерного горения, превысила в 4 раза вложенную – 2 мегаджоуля лазерной энергии против 8,6 полученной за 10 наносекунд.

Пока, конечно, это не электростанция – установка работает раз в сутки, чтобы она стала как электростанция, она должна работать десять раз в секунду. Но в принципе, человечество уже понимает, как надо строить такие лазерные термоядерные станции. Так же, в принципе понятно, как надо строить и токамаки, но пока не построили ни одного требуемого масштаба.

В чем проблема масштабирования процессов?

Получить реальное горение в токамаке можно с увеличением масштаба: функция время удержания – это функция размера токамака. Но дело в том, что, когда мы увеличиваем масштаб, у нас возникают проблемы, которые были неочевидны при малом объеме. В мире было построено более 300 токамаков, сейчас работает с десяток. Проблемы очень разные. Например, плазма, хоть и оторвана от стенок камеры, но сильно излучает, (так как температура очень высокая) и при излучении начинает испарять вещество со стенок реактора, вещество начинает проникать в плазму и остужать ее. Так возникает главная проблема «большого» токамака: проблема стенок реактора, обращенных к плазме – из чего они должны быть сделаны? Но есть и другие, не физические проблемы. Скажем, как создавать магнитное поле? Для этого подойдут низкотемпературные сверхпроводники, их можно захолодить и тогда магнитное поле будет долго (бесконечно) существовать. Но они очень дорогие. Правда, что значит – дорогие? Всё относительно: отмечу, что проект ИТЭР стоит всего 25 млрд долларов, а, например, чемпионат мира по футболу в Катаре стоил 120 млрд долларов… 

У кого на Земле Солнце вспыхнет первым?

Строительство термоядерных установок упирается в первую очередь в финансирование, именно поэтому и возник ИТЭР, инициатором создания которого был Советский Союз, но в одиночку он такой проект потянуть не мог. Сейчас там 10 стран-участников, если Евросоюз считать за одну страну. ИТЭР – это одновременно прекрасный пример международной солидарности, и такой же плохой пример международной солидарности, потому что результат там трансформировался в процесс. Очень долго, дорого, малоэффективно. Но другого варианта у нас нет пока. И к тому же, по договору, все технологии, полученные в рамках этого проекта, принадлежат всем странам-участникам. Именно поэтому китайцы, как участники ИТЭР, сейчас строят сразу два токамака одновременно. В КНР понимают, что сейчас можно и нужно бежать быстрее, чтобы опередить всех. Более того, обращаю ваше внимание, это два одинаковых по принципам такомака – зачем? Как говорят сами китайцы: «это проверка для нашей промышленности», они не считают фактор стоимости определяющим. В недалеком будущем они начнут строить еще один, уже предпромышленный токамак. Когда-то в Советском Союзе тоже не экономили на атомном проекте – поэтому он получился. Термоядерный проект колоссальный, он сравним по сложности с атомным проектом.

Кстати, любопытный факт – первым токамаком, который китайцы стали эксплуатировать, был токамак Т-7, подаренный КНР Курчатовским институтом в 1992 году. Несколько десятков российских инженеров и исследователей помогали реконструировать устройство, а после реконструкции токамак был переименован в HT-7 и стал частью Института физики плазмы Китайской академии наук.

Наша страна долгое время была абсолютным лидером научных исследований по термоядерным процессам – до начала 80-х годов. Сейчас вперед вырываются Китай и США, всем миром строим ИТЭР. В России есть проект своего токамака с реакторными технологиями (ТРТ), предполагается, что на нем можно будут отработать определенные элементы конструкции будущего реактора. Это будет либо бридер (реактор-размножитель, который производит больше делящегося материала, чем потребляет для генерации энергии). Он комбинированный, в качестве источника нейтронов там будет токамак, а реактор будет урановым котлом.  Либо – токамак, где энергия будет получаться только за счет реакции в плазме. Проект ТРТ прототип энергетического термоядерного реактора.  ТРТ введен в национальный проект технологического лидерства «Новые атомные и энергетические технологии», инициированный «Росатомом».

ТРТ будет переходным этапом между экспериментальной установкой и будущим термоядерным реактором. НИЯУ МИФИ глубоко погружен в эту тематику, мы делаем диагностику для ТРТ, мы включены в разработку различных вариантов первой стенки, в том числе стенки на основе жидких металлов. Есть даже планы, прежде чем делать сверхпроводящую обмотку для ТРТ, опробовать ее на нашем токамаке МИФИСТ. Создавать токамак на основе высокотемпературных сверхпроводников ни разу опробовав его на малой установке – опасно, должна быть апробация и опыт работы. Да и кадры нужно готовить соответствующие – обслуживать такую установку должны высококвалифицированные люди, ученые и инженеры, глубоко понимающие физические процессы, чтобы не было как в Чернобыле. Поэтому на первом этапе, когда только отрабатываются принципы, апробация необходима.

Для оптимизма я люблю приводить слова выпускника МИФИ, известного ученого Владимира Черковца: «Первая термоядерная станция заработает в 2054 году – к столетию первой атомной станции в СССР». На самом деле, это очень близко динамике развития этой тематики. Середина ХХ века стала временем атома и космоса, надеюсь, что середина XXI века станет временем реального термояда и дальнего космоса. Потому что термояд – это не только про энергию, термояд – это про энергию и движение, на термоядерных технологиях можно будет создавать космические двигатели на новых принципах. Не стоит забывать и слова великого советского физика Льва Арцимовича, что термояд будет создан тогда, когда он реально будет нужен человечеству.

Да, сейчас в целом наблюдается ренессанс внимания ученых и государств к термоядерной тематике. Уже накоплены знания, которые позволяют перейти от исследований к реальному прототипу будущей электростанции. А дальше – кто первый построит.

Если вы мечтаете построить Солнце на Земле – поступайте в Институт лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ. Здесь готовят высококвалифицированных специалистов для развития лазерных, плазменных и энергосберегающих технологий. Выпускники ЛаПлаза работают на российских промышленных предприятиях, на крупномасштабных научно-исследовательских установках в нашей стране и за рубежом: проектах NICA, ITER, FAIR, XFEL и других.
Всё о поступлении – здесь и в официальном канале МАХ.