Как Россия создает самые сложные устройства в истории человечества

Разрез токамака ИТЕР

Когда кто-то (включая и меня) хочет рассказать о высоких технологиях, которыми обладает Россия, то обычно приводит в пример технологии мирного атома и корпорацию Росатом.

Чаще всего говорят о строительстве АЭС по всему миру, иногда приводят в пример производство ядерного топлива – что, конечно, тоже относится к высоким технологиям. Иногда затрагивают тему уникальных российских реакторов на быстрых нейтронах, работающих на Белоярской АЭС – такого вообще нигде в мире нет.


Но на самом деле тема атома куда шире и не ограничивается лишь тепловыми и быстрыми реакторами, а также топливом для них. Сфера атомных технологий – это не просто энергетика, это целый клубок технологий и науки, в котором даже не всегда понятно, где заканчивается теория и начинается ее практическое применение.

Это то место, где прошлое, настоящее, будущее, «если» и «может быть» сходятся вместе и перемешиваются – к/ф «Трасса 60»
Вот эта цитата из моего любимого фильма как нельзя лучше подходит для описания того, что такое атомные технологии.

Вот, например, взять термоядерный синтез (ТС). Что это? Наука? Конечно, наука, причем уровня Megascience! Россия – ключевой участник международного проекта ИТЭР по созданию прототипа промышленного термоядерного реактора. Но и на своей территории у нас активно изучают ТС. Например, этой проблемой занимаются в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера.

Только представьте, сколько сложнейших инженерных задач пришлось решить ученым при проектировании термоядерных установок. Каждая из них – это шедевр инженерного искусства, то самое сплетение науки и технологий. Само по себе решение инженерных задач двигает науку вперед – исследования в области сверхпроводников, материаловедение, изучение элементарных частиц, полей, газодинамику и многие другие направления.

Термоядерный синтез – это процесс, при котором ядра легких атомов сливаются друг с другом, образуя более тяжелые атомы. Он сопровождается выделением большого количества энергии.

Такие же процессы происходят в звездах, включая наше Солнце. Там водород превращается в гелий с выделением громадного количества энергии. Задача ученых и инженеров – повторить это на Земле.

Но есть одна проблема. Атомы сливаются с выделением энергии благодаря фундаментальной силе, которую называют сильным ядерным взаимодействием (СЯВ). У него очень короткий радиус действия, поэтому атомы нужно буквально столкнуть друг с другом, а этому мешает другая фундаментальная сила – электромагнетизм, который отталкивает ядра.

Расстояние, на которое нужно сблизить ядра, чтобы они стали притягиваться под действием СЯВ, называют Кулоновским барьером.

Чтобы ядра его преодолели, нужно много энергии: вещество (например, дейтерий и тритий) надо нагреть до температуры, превышающей 100 млн градусов. Но тут мы и сталкиваемся с проблемой. Нагреть несложно, например, с помощью лазера, но где удержать плазму с такой высокой температурой? Нужен «сосуд», в котором вещество могло бы находиться до начала термоядерной реакции.

Из чего же его сделать, ведь самые тугоплавкие вещества выдерживают температуру всего около 3500 °C? Этого, мягко говоря, маловато.

Остается лишь один способ – удерживать плазму в электромагнитном поле. И вот тут начинается самое сложное. Разогретая до десятков миллионов градусов плазма очень нестабильна и текуча. Поэтому удерживать ее с помощью электромагнитного поля долго в стабильном состоянии не получается.

Для решения задачи удержания плазмы создали специальные магнитные ловушки, одна из самых известных концепций – токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Международный проект ИТЭР как раз и базируется на ней.

Токамак – это замкнутая ловушка, то есть плазма удерживается внутри установки. Эту идею предложили советские ученые еще в 1950 году, и уже в 1958 году построили первую в мире экспериментальную термоядерную установку – «Токамак Т1». Но все оказалось сложнее, чем думали изначально.

Плазму удержать очень сложно, потому установки становились сложнее и сложнее – сегодня трудно представить устройство более сложное, чем токамак. Например, строящаяся установка ИТЭР состоит из более чем миллиона компонентов.

Но Россия развивает не только концепцию токамака. Есть и другие концепции, например, идея электромагнитных ловушек – установки открытого типа, над которыми активно работают в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера. Смысл такой: что если мы не будем пытаться удержать плазму в неподвижном состоянии? Пусть она течет, но в строго заданном направлении, а задача будет сводиться лишь к тому, чтобы минимизировать утечки.

Установки открытого типа представляют собой, грубо говоря, трубу из магнитов, в центре которой, не касаясь стенок, течет плазма. Концепцию открытой магнитной ловушки предложили в 1953 году независимо друг от друга два ученых: Г. И. Будкер из СССР и Р. Пост из Соединенных Штатов Америки. Через шесть лет С.Н. Родионов, сотрудник новосибирского Института ядерной физики СО АН СССР, экспериментально подтвердил работоспособность идеи.


Фото © Бионышева Елена/Сделано у нас

В России работы по этому направлению продолжаются. На фото – экспериментальная установка СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка), созданная в ИЯФ и запущенная в 2017 году.


Фото © Бионышева Елена/Сделано у нас

Установка использует новую концепцию – магнитное поле с винтовой симметрией позволит управлять вращением для подавления продольных потерь плазмы из открытой ловушки. Правда, как и в случае с Токамаком, идея оказалась проще, чем ее реализация. Ученые столкнулись со множеством проблем, о которых изначально не подозревали. Их постепенно решали, затем появлялись новые, и этот процесс борьбы человека с природой продолжается до сих пор.

Но эта борьба и называется наукой! Просто в случае с проблемой термоядерного синтеза уровень сложности решаемой задачи запредельный, ничего подобного человечество еще не делало в своей истории.

Россия же идет в авангарде мировой научной и инженерной мысли, помогая человечеству решить эту глобальную задачу. Содержания изотопа водорода дейтерия, основного топлива для ТС, в океанах хватит на 150 миллионов лет потребления цивилизацией. Представьте только: 86 грамм смеси дейтерия и трития могут выделить количество энергии, эквивалентное сгоранию 1000 тонн угля. Поэтому очевидно, что решение задачи ТС даст человечеству неисчерпаемый источник энергии. Это будет настоящий прорыв для цивилизации, выход на новый уровень развития.

И Россия совершенно точно уже внесла и еще внесет в решение этой задачи свой большой и неоценимый вклад.