Термоядерный синтез: чудо, которое случается

Оптимизм — штука хорошая, но несамодостаточная. Например, по теории вероятности, на каждого смертного иногда должен падать кирпич. Поделать с этим решительно ничего нельзя: закон Вселенной. Выходит, единственное, что вообще может выгнать смертного на улицу в столь неспокойное время, — это вера в лучшее. А вот у работника сферы ЖКХ мотивация сложнее: его на улицу толкает как раз тот самый кирпич, который норовит на кого-то упасть. Ведь работник об этом кирпиче знает и может все исправить. Равновероятно может и не исправлять, но главное, что при любом решении голый оптимизм его уже не утешит.

В таком положении в XX веке оказалась целая отрасль — мировая энергетика. Люди, уполномоченные решать, решили, что уголь, нефть и природный газ будут, как солнце в песне, всегда, что кирпич сидит крепко и никуда не денется. Допустим, денется — так есть термоядерный синтез, пусть пока и не вполне управляемый. Логика такая: открыли его быстро, значит, так же быстро покорят. Но годы шли, отчества тиранов забывались, а термоядерный синтез не покорялся. Все только заигрывал, да требовал больше обходительности, чем имели смертные. Они-то, кстати, ничего не решали, были себе тихонечко оптимистами.

Повод заерзать на стуле появился, когда о конечности ископаемых топлив начали говорить публично. Причем, какая она, конечность, непонятно. Во-первых, точный объем еще не найденных нефти или, скажем, газа подсчитать довольно трудно. Во-вторых, прогноз осложняется колебаниями цен на рынке, от которых зависит скорость добычи. И, в-третьих, потребление разного горючего непостоянно во времени и пространстве: например, в 2015 году мировой спрос на уголь (это треть всех существующих энергоносителей) впервые упал с 2009 года, но к 2040 году, как ожидается, резко возрастет, особенно в Китае и на Ближнем Востоке.

Мы для наглядности возьмем прогноз МЭА (Международного энергетического агентства) и наметим границу в 40–270 лет. Представим, что затем ископаемые топлива иссякнут.

Другой недостаток ископаемых топлив, обнаруженный с опозданием, — вредные выбросы. При сжигании угля, нефти и природного газа вырабатываются углекислый газ, угарный газ и остальные гадости, которые попадают в атмосферу. Чем больше в атмосфере таких летучих веществ, тем меньше солнечного света Земля отражает обратно в космос и тем страннее погода. Ситуация с выбросами стала настолько щекотливой, что недавно МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) объявила ультиматум: отказаться от ископаемых топлив к 2100 году. Иначе изменения климата станут необратимыми.

Что получается: максимум за 270 лет мировая энергетика должна сойти с рельс нефти, угля и природного газа (пока 80 процентов электроэнергии генерируется благодаря им) и пересесть на что-то другое — безопасное, с высоким КПД и чтобы не било по карману. Цена — момент, первостепенный для развивающихся стран, включая Россию, где спрос на электроэнергию растет быстрее, чем ВВП. Страшно представить, что ждет тех, кто и в ОПЕК (Организация стран-экспортеров нефти) не состоит. Но ближе к делу, вернее, к «Нагану» грядущей энергетической революции — управляемому термоядерному синтезу.

Назло Кулону

Как мы помним, простейшее атомное ядро состоит из положительно заряженного протона и отрицательно заряженного электрона. Если к атомному ядру, скажем, водорода «прицепить» один нейтрон, получится изотоп — дейтерий. Если «прицепить» два нейтрона, получится другой изотоп — тритий. При этом с каждым новым нейтроном зарядовое число и химические свойства водорода будут оставаться прежними, а вот массовое число (сумма протонов и нейтронов) и физические свойства — меняться. Возможность конструировать атомные ядра, управляя их физическими свойствами, и интересует ядерную физику.

Для запуска термоядерного синтеза нужно сблизить два изотопа с небольшим зарядовым числом, допустим дейтерий и тритий, до расстояния одного атомного ядра, чтобы те «слиплись» и образовали новое, более тяжелое ядро, в нашем примере — гелия-4. По эйнштейновской формуле E=mc² это приведет к высвобождению огромного количества энергии, часть которой (что характерно — большая) достанется одинокому нейтрону: при столкновении дейтерия и трития он улетит и никогда не вернется. Кстати, сведение ядер — первая проблема синтеза, и небольшое зарядовое число ее упрощает.

Дело в том, что одноименно заряженные атомные ядра вообще-то сводить нельзя — действует кулоновское отталкивание. Поэтому газ дейтерия и трития приходится разгонять в вакууме, нагревая до температур свыше 100 миллионов градусов Цельсия. С атомов в результате слетают электронные оболочки, и газ переходит в состояние плазмы, состоящей только из заряженных частиц, что позволяет помыкать ей с помощью магнитных ловушек. На самом деле для современных установок 100 миллионов градусов не предел, правда, максимальное «время удержания энергии» в пекле, вдвое меньшем, пока не превышает и 102 секунд.

Компромисс между временем удержания плазмы и скоростью реакции — вторая проблема термоядерного синтеза. Подходов к ее решению целых два, по числу основных типов реакторов: квазистационарные (стеллараторы и токамаки) и инерциальные. Первые — это полые «бублики», в которых газ нагревается током и изолируется от внутренних стенок за счет магнитных полей. Вторые — «шарики», в них замороженные изотопы одновременно поджигаются и сдавливаются лазерами. Отличие в том, что токамаки и стеллараторы рассчитаны на долгую работу с разреженной плазмой, а «импульсные» — на «выстрелы» по упакованной смеси.

Пытливый читатель, конечно, заметил: термоядерные реакторы уже существуют и даже разные. Тогда почему мы топим баню дровами, а не плазмой?

Звезды, война и физик-самоучка

Чтобы прочувствовать боль, которую причиняет ученым решение термоядерной головоломки, мысленно пройдем их путь. В 1934 году американский физик советского происхождения Георгий Гамов, разглядывая звезды, задался вопросом: что делает их горячими миллионы лет? На фоне недавнего открытия нуклонов и общего подъема ядерной мысли он закономерно рассудил, что дело в ядерных реакциях. Гипотезу Гамова спустя четыре года развил американец Ханс Бете. В центре Солнца, считал Бете, ядра водорода сталкиваются, превращаясь в изотопы, а затем и в другие элементы. Разница их массовых чисел и зажигает светило.

Шел 1938 год. Пока романтики рассуждали о мироустройстве, политики начинали аншлюс и готовились к холодной войне. В 1941 году американец итальянского происхождения, один из двух «отцов» цепной ядерной реакции Энрико Ферми предложил коллегам по Манхэттенскому проекту подумать над бомбой не распада, то есть атомной, а синтеза, то есть водородной. Идея Ферми страшно понравилась Эдварду Теллеру, причем по двум причинам: он любил трудности и был любопытен, а задача расщепления атомных ядер на тот момент была наполовину решена (первый ядерный реактор заработал уже в следующем, 1942-м, году). Неинтересно.

Роберт Оппенгеймер такого энтузиазма не разделял. Но сформировал из «проблемных» адептов термоядерной гипотезы запасной отряд под руководством Теллера. Когда «проблемный» математик Станислав Улам описал возможный алгоритм термоядерного синтеза, исследования вышли в практическое русло. И в 1951 году, через шесть лет после испытаний ядерного, США провели предварительное и спустя год — полномасштабное испытание термоядерного заряда. Топливом для него служили жидкие изотопы водорода, которые затем, ради увеличения мощности, заменили на твердотельный дейтерид лития-6 и -7.

Советский прототип термоядерного оружия, получивший уютное название «Слойка», был готов к 1949 году, а в 1950-м физик-самоучка Олег Лаврентьев — для разнообразия — высказался в пользу промышленного термоядерного синтеза. Неплохо бы, мол, не только ломать. Через несколько месяцев, одновременно с американцами, Игорь Тамм и Андрей Сахаров додумали концепцию Лаврентьева, предложив закольцевать движение плазмы в медном «бублике» и изолировать ее магнитными ловушками. В том же, 1951-м, году астрофизик Лайман Спитцер построил первый в мире образец термоядерного реактора — стелларатор.

Надо сказать, упоминание национальностей тут неслучайно. Гонка вооружений тормозила термоядерную энергетику не меньше, чем оптимизм и кулоновское отталкивание. В результате у СССР, который собирал водородную бомбу на позициях отстающего, свой термоядерный реактор появился только в 1954 году, и это был токамак. В типах реакторов тоже прослеживается идеология, или, если угодно, экзистенциальный подход: исторически так вышло, что стеллараторы были скорее американскими; токамаки — скорее советскими. Забегая вперед, скажем, что теперь эта тенденция неактуальна.

Сделаем еще одно отступление. Формально стеллараторы считались и считаются более прогрессивными, чем токамаки. Тому есть несколько причин. Во-первых, в стеллараторах плазму нагревают и удерживают только внешние токи и катушки. В токамаках розжиг происходит за счет электрического тока, протекающего в плазме и одновременно создающего дополнительное магнитное поле. Из-за этого в «бублике» токамака возникают свободные электроны и ионы уже со своими магнитными полями, которые норовят разрушить основное поле, сбить температуру и вообще все испортить.

Во-вторых, камеры стеллараторов не просто «бублики», а «мятые бублики»: в отличие от токамаков, у них нет азимутальной симметрии. При этом катушки на «мятых бубликах» стеллараторов имеют винтообразную, вложенную форму (на токамаках они прямые и параллельны друг другу) и «закручивают» силовые линии, то есть подвергают их вращательному преобразованию. Это тоже стабилизирует плазму и еще — отодвигает теоретический предел оптимального давления в камере. А квадрат давления примерно пропорционален скорости реакции. Чем выше давление, тем быстрее все произойдет.

Стеллараторы доминировали ровно до 1969 года, когда температура плазмы (объемом всего в один кубический метр) в советском Т-3, первом и единственном токамаке, достигла рекордных трех миллионов градусов Цельсия, что лишь в пять раз меньше температуры в центре Солнца. Отрицая реальность происходящего, британские физики вызвались проверять результаты эксперимента, но, увы, чудо случилось. История с Т-3 ввела на токамаки моду: они понятнее и дешевле в строительстве. И в 1983 году в Великобритании был достроен крупнейший из ныне существующих термоядерных реакторов этого типа — JET.

Объем плазмы в JET составил уже около 100 кубических метров. За 30 лет он установил серию рекордов: решил первую проблему термоядерного синтеза, разогрев плазму до 150 миллионов градусов Цельсия; сгенерировал мощности в 1 мегаватт, а затем — в 16 мегаватт с показателем энергоэффективности Q ~ 0,7… Соотношение затраченной энергии к полученной — третья проблема термоядерного синтеза. Теоретически для самоподдерживающегося горения плазмы Q должен перевалить за единицу. Но практика показала, что мало и этого: на самом деле Q должен быть более 20. Среди токамаков Q JET пока остается непокоренным.

Новой надеждой отрасли стал токамак ITER, который прямо сейчас всем миром строят во Франции. Показатель Q у ITER должен достигнуть 10, мощность — 500 мегаватт, которые для начала просто рассеют в пространстве. Работы над этим проектом ведутся с 1985 года и должны были закончиться в 2016 году. Но постепенно стоимость стройки выросла с 5 до 19 миллиардов евро, и дата ввода в эксплуатацию отодвинулась на 9–11 лет. При этом ITER позиционируется как мостик к реактору DEMO, который, по плану в 2040-х годах, сгенерирует первое «термоядерное» электричество.

Биография «импульсных» систем была менее драматичной. Когда в начале 1970-х годов физики признали, что вариант с «постоянным» синтезом неидеален, то предложили вычеркнуть из уравнения удержание плазмы. Вместо этого изотопы должны были помещаться в миллиметровую пластиковую сферу, та — в золотую капсулу, охлажденную до абсолютного нуля, а капсула — в камеру. Затем капсула синхронно «обстреливалась» лазерами. Идея в том, что если нагреть и сдавить топливо достаточно быстро и равномерно, то реакция произойдет еще до рассеяния плазмы. И в 1974 году частная компания KMS Fusion такую реакцию получила.

Спустя несколько экспериментальных установок и лет выяснилось, что с «импульсным» синтезом не все так гладко. Равномерность сжатия оказалась проблемой: замороженные изотопы превращались не в идеальный шар, а в «гантелю», что резко снижало давление, а значит, и энергоэффективность. Ситуация привела к тому, что в 2012 году, через четыре года работы, от безысходности едва не закрылся крупнейший инерциальный американский реактор NIF. Но уже в 2013 году он сделал то, чего не удалось JET: первым в ядерной физике получил в 1,5 раза больше энергии, чем израсходовал.

Сейчас, помимо крупных, проблемы термоядерного синтеза решают «карманные», чисто экспериментальные, и «стартаперские» установки самых разных конструкций. Иногда и у них получается совершить чудо. Например, недавно физики из Рочестерского университета превзошли поставленный в 2013 году рекорд энергоэффективности в четыре, а затем и в пять раз. Правда, новые ограничения на температуру розжига и давления при этом никуда не делись, да и эксперименты проводились в реакторе, примерно втрое меньшем, чем NIF. А линейный размер, как мы знаем, имеет значение.

Зачем так напрягаться, недоумеваете вы? Чтобы было понятно, чем термоядерный синтез так привлекателен, сравним его с «обычным» горючим. Допустим, в каждый момент времени в «бублике» токамака находится один грамм изотопов. При столкновении одного дейтерия и одного трития выделяется 17,6 мегаэлектронвольта энергии, или 0,000 000 000 002 джоуля. Теперь статистика: сжигание одного грамма дров даст нам 7 тысяч джоулей, угля — 34 тысячи джоулей, газа или нефти — 44 тысячи джоулей. Сжигание же грамма изотопов должно привести к выбросу 170 миллиардов джоулей тепла. Столько весь мир потребляет примерно за 14 минут.

Нейтроны-беженцы и смертоносные ГЭС

Более того, термоядерный синтез почти безвреден. «Почти» — потому что нейтрон, который улетит и не вернется, забрав часть кинетической энергии, покинет магнитную ловушку, но далеко уйти не сможет. Скоро непоседа будет схвачен атомным ядром одного из листов бланкета — металлического «одеяла» реактора. Ядро, «поймавшее» нейтрон, при этом превратится либо в стабильный, то есть безопасный и относительно долговечный, либо в радиоактивный изотоп — как повезет. Облучение реактора нейтронами называется наведенной радиацией. Из-за нее бланкет придется менять где-то каждые 10–100 лет.

Самое время уточнить, что схема «сцепления» изотопов, описанная выше, была упрощенной. В отличие от дейтерия, который можно есть ложкой, легко создать и встретить в обычной морской воде, тритий — радиоизотоп, и искусственно синтезируется за неприличные деньги. При этом хранить его бессмысленно: ядро быстро «разваливается». В ITER тритий будут получать на месте, сталкивая нейтроны с литием-6 и отдельно добавляя готовый дейтерий. В результате нейтронов, которые попытаются «бежать» (вместе с тритием) и застрянут в бланкете, будет еще больше, чем могло показаться.

Несмотря на это, площадь радиоактивного воздействия термоядерного реактора будет пренебрежимо мала. Ирония в том, что безопасность предусмотрена самим несовершенством технологии. Поскольку плазму приходится удерживать, а «топливо» добавлять снова и снова, без надзора со стороны система проработает от силы несколько минут (плановое время удержания у ITER — 400 секунд) и погаснет. Но даже при одномоментном разрушении, по мнению физика Кристофера Ллуэллина-Смита, выселять города не придется: из-за низкой плотности плазмы трития в ней будет всего 0,7 грамма.

Разумеется, на дейтерии и тритии свет клином не сошелся. Для термоядерного синтеза ученые рассматривают и другие пары: дейтерий и дейтерий, гелий-3 и бор-11, дейтерий и гелий-3, водород и бор-11. В трех последних никаких «убегающих» нейтронов и вовсе не будет, а с парами водород — бор-11 и дейтерий — гелий-3 уже работают две американские компании. Просто пока, на нынешнем витке технологического невежества, сталкивать дейтерий и тритий чуть легче.

Да и простая арифметика на стороне новой отрасли. За последние 55 лет в мире произошло: пять прорывов ГЭС, в результате которых погибло столько, сколько на российских дорогах погибает за восемь лет; 26 аварий на атомных электростанциях, из-за которых погибло в десятки тысяч раз меньше людей, чем от прорывов ГЭС; и сотни происшествий на тепловых электросетях с бог весть какими последствиями. Зато за время работы термоядерных реакторов, кажется, ничто, кроме нервных клеток и бюджетов, пока не пострадало.

Холодный ядерный синтез

Каким бы крошечным он ни был, а шанс сорвать куш в «термоядерную» лотерею будоражил всех, не только физиков. В марте 1989 года два достаточно известных химика, американец Стэнли Понс и британец Мартин Флейшман, собрали журналистов, чтобы явить миру «холодный» ядерный синтез. Работал он так. В раствор с дейтерием и литием помещался палладиевый электрод и через него пропускали постоянный ток. Дейтерий и литий поглощались палладием и, сталкиваясь, иногда «сцеплялись» в тритий и гелий-4, вдруг резко нагревая раствор. И это при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении.

Перспектива получать энергию без головомойки с температурой, давлением и сложными установками была слишком заманчива, и на следующий день Флейшман и Понс проснулись знаменитыми. Власти штата Юта выделили на их исследования «холодного» синтеза 5 миллионов долларов, еще 25 миллионов долларов у Конгресса США запросил университет, в котором работал Понс. Ложку дегтя в историю добавляли два момента. Во-первых, подробности эксперимента появились в The Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry только в апреле, спустя месяц после пресс-конференции. Это противоречило научному этикету.

Во-вторых, у специалистов по ядерной физике к Флейшману и Понсу возникло много вопросов. Например, почему в их реакторе столкновение двух дейтронов дает тритий и гелий-4, когда должно давать тритий и протон или нейтрон и гелий-3? Причем проверить это было просто: при условии, что в палладиевом электроде происходил ядерный синтез, от изотопов «отлетали» бы нейтроны с заранее известной кинетической энергией. Но ни датчики нейтронов, ни воспроизведение эксперимента другими учеными к таким результатам не привели. И за недостатком данных уже в мае сенсация химиков была признана «уткой».

Несмотря на это, труд Понса и Флейшмана внес в ядерную физику и химию сумятицу. Ведь что произошло: некая реакция изотопов, палладия и электричества привела к выделению положительной энергии, точнее, к спонтанному нагреванию раствора. В 2008 году похожую установку журналистам показали японские ученые. Они помещали в колбу палладий и оксид циркония и под давлением накачивали в нее дейтерий. Из-за давления ядра «терлись» друг о друга и превращались в гелий, выделяя энергию. Как и в эксперименте Флейшмана-Понса, о «безнейтронной» реакции синтеза авторы судили только по температуре в колбе.

У физики объяснений не было. Но могли быть у химии: что если вещество изменяют катализаторы — «ускорители» реакций? Один такой «ускоритель» якобы использовал итальянский инженер Андреа Росси. В 2009 году он вместе с физиком Серджио Фокарди подал заявку на изобретение аппарата для «низкоэнергетической ядерной реакции». Это 20-сантиметровая керамическая трубка, в которую помещаются порошок никеля, неизвестный катализатор и под давлением накачивается водород. Трубка нагревается обычным электрокалорифером, частично превращая никель в медь с выделением нейтронов и положительной энергии.

До патента Росси и Фокарди механику «реактора» не разглашали из принципа. Потом — со ссылкой на коммерческую тайну. В 2011 году установку начали проверять журналисты и ученые (почему-то одни и те же). Проверки заключались в следующем. Трубку нагревали на несколько часов, измеряли входную и выходную мощность и изучали изотопный состав никеля. Вскрывать было нельзя. Слова разработчиков подтверждались: энергии выходит в 30 раз больше, состав никеля меняется. Но как? Для такой реакции нужно не 200 градусов, а все 20 миллиардов градусов Цельсия, поскольку ядро никеля тяжелее даже железа.

Ни один научный журнал итальянских «волшебников» так и не опубликовал. Многие довольно быстро махнули на «низкоэнергетические реакции» рукой, хотя последователи у метода есть. Сейчас Росси судится с правообладателем патента, американской компанией Industrial Heat, по обвинению в краже интеллектуальной собственности. Та считает его мошенником, а проверки с экспертами — «липой».

И все же «холодный» ядерный синтез существует. Он действительно основан на «катализаторе», — мюонах. Мюоны (отрицательно заряженные) «выпинывают» электроны с атомной орбитали, образуя мезоатомы. Если столкнуть мезоатомы с, например, дейтерием, получатся положительно заряженные мезомолекулы. А так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, ядра мезомолекул будут в 207 раз ближе друг к другу — того же эффекта можно добиться, если нагреть изотопы до 30 миллионов градусов Цельсия. Поэтому ядра мезоатомов «сцепляются» сами, без нагрева, а мюон «прыгает» на другие атомы, пока не «увязнет» в мезоатоме гелия.

К 2016 году мюон научили совершать примерно 100 таких «прыжков». Затем — либо мезоатом гелия, либо распад (время жизни мюона — всего 2,2 микросекунды). Овчинка не стоит выделки: количество полученной от 100 «прыжков» энергии не превышает 2 гигаэлектронвольт, а на создание одного мюона нужно 5–10 гигаэлектронвольт. Чтобы «холодный» синтез, точнее, «мюонный катализ», был выгодным, каждый мюон должен научиться 10 тысячам «прыжков» или, наконец, перестать требовать от смертных слишком много. В конце концов, до каменного века — с пионерскими кострами вместо ТЭЦ — осталось каких-то 250 лет.

Впрочем, в конечность ископаемых топлив верят не все. Менделеев, например, отрицал исчерпаемость нефти. Она, думал химик, — продукт абиотических реакций, а не разложившихся птеродактилей, поэтому самовосстанавливается. Слухи об обратном Менделеев вменял братьям Нобель, которые в конце XIX века замахнулись на нефтяную монополию. Вслед за ним советский физик Лев Арцимович и вовсе выражал убежденность в том, что термоядерная энергетика появится только тогда, когда будет «действительно» нужна человечеству. Выходит, Менделеев и Арцимович были хоть лицами и решающими, а все же — оптимистами.

И в термоядерной энергетике мы на самом деле пока не нуждаемся.