- Статьи
- Наука и техника
- «Курчатовский институт и «Росатом» разрабатывают технологии энергетики будущего»
«Курчатовский институт и «Росатом» разрабатывают технологии энергетики будущего»
60 лет назад, 30 октября 1961 года, в СССР прошли испытания термоядерной бомбы. Это был самый мощный взрыв за всю историю человечества. Впрочем, предназначался он исключительно для психологического давления на США, рассказала в интервью «Известиям» к.х.н., ведущий научный сотрудник отдела истории Курчатовского института Софья Воинова. Она отметила, что еще до легендарных испытаний специалисты Курчатовского института исследовали возможности применения термоядерного синтеза для получения энергии. Эти наработки положили начало для создания токамаков.
— Были ли отличия в испытаниях термоядерной бомбы от атомной? Почему термоядерную бомбу испытали в СССР один раз? Правда ли это было самое мощное устройство, когда-либо испытанное на Земле?
— Испытания первого ядерного заряда РДС-1 (29 августа 1949 года) и первого термоядерного заряда РДС-6с («Слойка», 12 августа 1953 года) проводились на Семипалатинском полигоне в стационарных условиях на стальных башнях высотой 40 м одинаковой конструкции, заряды устанавливались на высоте 30 м. Научным руководителем обоих испытаний был Игорь Васильевич Курчатов.
На испытательном поле были построены производственные и жилые здания, железнодорожные мосты, установлена боевая техника, биологические объекты и другое. В подземных и на прочных наземных сооружениях было установлено большое количество измерительных, регистрирующих и киносъемочных приборов. При испытании РДС-6с впервые были применены вакуумные заборники радиохимических проб, автоматически открывающиеся под действием ударной волны.
С 1954 по 1962 год на Семипалатинском полигоне и полигоне на Новой Земле было произведено несколько летных испытаний термоядерного оружия.
Самый мощный в истории термоядерный взрыв (58,6 Мт, «Царь-бомба») был произведен 30 октября 1961 года на полигоне на Новой Земле на высоте 4000 м. Конструкция бомбы позволяла достигнуть мощности 100 Мт. Бомба предназначалась исключительно для психологического давления на США.
— Какие научные выводы были сделаны на основе этих испытаний?
— В результате успешных испытаний первых атомных и водородных бомб были подтверждены данные теоретических расчетов, которые легли в основу конструкции этих зарядов.
Установленная на испытательном полигоне аппаратура позволила провести физические измерения параметров взрыва: теплового потока, параметров ударной волны, характеристики нейтронного и гамма-излучений. Был определен уровень радиоактивного заражения местности в районе взрыва и вдоль следа облака, изучено воздействие ядерного и термоядерного взрывов на биологические объекты. Оптические измерения позволили изучить процесс формирования ударной волны, детально проследить развитие вспышки и облака в пространстве, начальный процесс разлета радиоактивных продуктов взрыва. Результаты гамма-измерений позволили определить эмпирическую зависимость дозы гамма-излучения от расстояния, произвести оценку жесткости гамма-излучения и время его действия, определить поражающее действие излучения и эффективность защитных устройств. В результате нейтронных измерений было проведено измерение доз нейтронного излучения на разных расстояниях от взрыва. В результате радиохимических исследований была получена информация о радиоактивной зараженности местности в зоне взрыва и по следу радиоактивного облака оценена мощность взрыва.
— Какие предпринимались предосторожности при испытаниях? Как к ним готовились? Какую роль играл в этом Игорь Курчатов?
— Полигон №2 Министерства Вооруженных сил СССР в районе Семипалатинска Казахской ССР представлял собой равнину диаметром примерно 30 км, окруженную с юга, запада и с севера невысокими горами. Территория в радиусе 100 км вокруг выбранного центра испытательного поля никогда не имела постоянных поселков и после создания полигона была отчуждена.
В соответствии с заключением правительственной комиссии в период с 10 по 26 августа 1949 года было проведено десять репетиций совместной работы управления полем и пультом изделия с кабельной линией, а также три тренировочных учения с запуском всей аппаратуры. При этих учениях отрабатывался полный цикл подготовки РДС-1, включающий сборку шарового заряда, за исключением установки плутония, подъем его и автоматики подрыва на грузовую площадку башни на 30-метровой высоте, контрольную проверку линии и автоматики подрыва, снаряжение изделия капсюлями-детонаторами и подрыв его.
Для обеспечения безопасности руководителей испытания стена командного пункта, обращенная к полю, была завалена землей до крыши. Запрещено было пользоваться перископом для наблюдения во время взрыва.
Руководители испытания первого термоядерного заряда РДС-6с (Игорь Курчатов, Вячеслав Малышев, Борис Ванников, Авраамий Завенягин) придавали исключительно важное значение обеспечению безопасности населения, окружающего полигон. Энергия взрыва водородной бомбы ожидалась в десятки раз больше, чем все предыдущие взрывы. Были приняты чрезвычайные меры. Вокруг опытного поля была установлена запретная зона в радиусе 45–60 км, всё население и скот из зоны к юго-востоку от опытного поля в радиусе 120 км были за неделю до испытания эвакуированы.
Так же, как и при подготовке к испытанию РДС-1, было проведено несколько частных репетиций и генеральная репетиция 8 августа 1953 года.
— Как был осуществлен переход от термоядерных бомб к мирному атому, к созданию и применению токамаков? Насколько нам известно, первые идеи по использованию управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей появились в 1950 году. Кто был основоположником этих идей?
— Предпосылкой изучения ядерных реакций синтеза легких элементов можно считать открытие британским физиком Эрнестом Резерфордом и другими в 1934 году элементарной реакции ядерного синтеза, в которой два атома дейтерия образуют атом гелия с выделением колоссальной энергии. В 1938 году американский физик Ханс Бете в статье «Генерация энергии в звездах» сделал расчеты по термоядерным реакциям, протекающим внутри звезд, согласно которым для протекания термоядерной реакции в дейтериевой плазме ее необходимо нагреть до температуры 100 млн градусов. Для создания термоядерного реактора оставалось найти технически осуществимый способ нагрева плазмы до таких температур и осуществить ее термоизоляцию от стенок реактора.
Однако в последующее десятилетие термоядерные исследования в США и СССР были направлены на разработку термоядерной бомбы.
Впервые в СССР (и, возможно, в мире) конструктивное решение задачи создания термоядерного реактора предложил сержант советской армии Олег Лаврентьев, который проходил военную службу на Сахалине. В середине 1950 года он написал письмо в ЦК ВКП(б) с предложением использовать термоядерную реакцию синтеза тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития — для промышленных целей. Принципиальным моментом в его предложении была идея удержания высокотемпературной термоядерной плазмы от попадания на стенки реактора электростатическим полем.
Письмо перенаправили Игорю Тамму, возглавлявшему на тот момент специальную группу по разработке термоядерного оружия. Вместе с Андреем Сахаровым, входившим в ту же группу, оценив всю важность предложения Лаврентьева, они выдвинули более перспективную концепцию магнитного удержания плазмы с помощью магнитного термоядерного реактора (МТР), впоследствии трансформировавшегося в токамак.
В конце 1950 года на совещаниях в Лаборатории измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН, НИЦ «Курчатовский институт») под руководством Игоря Курчатова начал прорабатываться вопрос о технической возможности реализации УТС (управляемый термоядерный синтез. — «Известия»).
5 мая 1951 года вышло постановление Совета министров СССР «О проведении научно-исследовательских и экспериментальных работ по выяснению возможности осуществления магнитного термоядерного реактора». Основные научно-исследовательские работы были сосредоточены в ЛИПАН.
— В 1954 году в СССР был построен первый в мире токамак, но его разработки не были публично представлены. Впервые о токамаках рассказал Игорь Курчатов на международной конференции в Англии в 1956 году от имени советского правительства. Почему было принято решение рассказать об этом? Какова была реакция на выступление?
— В 1954 году в ЛИПАН создали первую в мире установку тороидальной конфигурации ТМП — прообраз будущих токамаков. А первая в мире тороидальная камера — основа для последующей конфигурации таких машин, как токамак, — Т1 с «ловушкой» из магнитного поля, была создана в Курчатовском институте Игорем Головиным и Натаном Явлинским в 1958 году. По рекомендации Игоря Курчатова работы по УТС возглавил Лев Андреевич Арцимович — выдающийся ученый, участник атомного проекта. Благодаря ему в Курчатовском институте впервые был разработан электромагнитный метод разделения изотопов. Под руководством Льва Арцимовича была создана специальная группа для решения проблемы УТС, где теоретическими исследованиями в этой области руководил Михаил Леонтович.
Всего за эти годы в Курчатовском институте было построено 25 токамаков.
В 1950-е годы исследования в этой области в СССР и других странах были строго засекречены.
В декабре 1955 года Игорь Курчатов собрал первое всесоюзное совещание по управляемым термоядерным реакциям, пригласив на него крупнейших физиков СССР. Вскоре стало ясно, что программа УТС не имеет военного применения, но из-за сложности проекта требует мобилизации сил ученых всего мира. Правительство СССР приняло решение рассекретить часть работ по УТС. В апреле состоялось знаменитое выступление Игоря Курчатова в английском ядерном центре в Харуэлле с докладом о возможности осуществления термоядерной реакции в газовых разрядах. В конце выступления Игорь Курчатов призвал снять завесу секретности с этих работ, не имеющих никакого отношения к оружию, и начать совместные исследования «этой величайшей проблемы на благо людей». После лекции слушатели устроили ему овацию.
Такой открытости в расширении научно-технического сотрудничества английские ученые не ожидали. В последующие дни зарубежные газеты были полны сообщений о сенсационных лекциях Игоря Курчатова.
Через два года, в августе 1958-го, на Второй женевской конференции по мирному использованию атомной энергии ученые из разных стран представили десятки докладов по теоретическим и экспериментальным исследованиям возможности осуществления УТС.
— Каковы сейчас планы ученых на применение токамаков? Когда они смогут снабжать города энергией?
— В термоядерном соревновании, развернувшемся в 1960–70-е годы, наша страна в целом и Курчатовский институт в частности достигли многих результатов. Был сооружен Т-7 — первый в мире токамак со сверхпроводящей тороидальной обмоткой на основе ниобий-титана. На установке Т-10 в 1975 году с помощью системы дополнительного нагрева в виде гиротронов, которая теперь используется во всем мире, была впервые достигнута температура электронов в 120 млн градусов. В 1988 году в Курчатовском институте заработал Т-15 — первый в мире токамак с циркуляционной сверхпроводящей магнитной системой на основе ниобий-олова. 18 мая 2021 года в НИЦ «Курчатовский институт» состоялся физический пуск токамака Т-15МД — первой за 20 лет новой термоядерной установки, построенной в России. По техническим параметрам Т-15МД не имеет аналогов в мире, ее уникальность в сочетании высокой мощности с компактными размерами. Это стало возможно благодаря целому ряду новых технологий, разработанных НИЦ «Курчатовский институт».
Сегодня из управляемого термоядерного синтеза развились высокотехнологичные направления — сверхпроводимость, плазменные технологии, очень востребованные в медицине и в космических технологиях, целый ряд новых материалов с принципиально новыми свойствами.
Одна из важнейших и сложнейших задач ядерной энергетики — создание энергетического реактора на основе управляемого термоядерного синтеза. Инициатива объединения международных усилий для создания экспериментальной термоядерной установки нового поколения принадлежит академику Евгению Велихову. Благодаря ему наша страна вступила в этот проект, к которому в разные годы присоединились США, Евросоюз, Япония, КНР, Южная Корея и Индия. 21 ноября 2006 года в Париже было подписано соглашение о формировании Международной организации по созданию первого в мире термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. В основе будущей установки лежит разработанная советскими учеными система токамак. Вклады стран распределяются равными долями между ведущими участниками. Россия поставляет туда технологии и готовые элементы.
Международный проект ИТЭР осуществляется на базе ведущих мировых термоядерных программ. Его цель — продемонстрировать научную и техническую возможность получения термоядерной энергии для мирных целей. Пуск реактора и получение на нем первой плазмы планируется в 2025 году.
Проект ИТЭР — это не просто создание новой технологии или установки, а фактически переход к новым принципам овладения энергией, аналогичным процессам термоядерного синтеза в звездах, когда при слиянии ядер изотопов водорода — дейтерия и трития — выделяется огромное количество энергии. Если ИТЭР продемонстрирует стабильные рабочие показатели по достижению, а главное, удержанию чистой плазмы, следующим этапом на пути к термоядерному будущему станет строительство промышленного демонстрационного реактора DEMO с запланированной мощностью всей станции около 3 ГВт, которое планируется завершить в 2050 году.
— В чем их отличие и преимущество перед атомными реакторами?
— Топлива, на котором работают современные АЭС — урана 235, — хватит на несколько десятков лет. Сегодня НИЦ «Курчатовский институт» и ГК «Росатом» серьезно прорабатывают проекты гибридного реактора, который сочетает в себе принципы ядерной и термоядерной энергетики. Это может стать следующим этапом к переходу на новые принципы генерации энергии. Также очень важно, что ресурсы топлива для термоядерной энергетики — дейтерий и тритий — очень велики: дейтерий содержится в морской воде, тритий возможно легко получать из лития.
Острая необходимость новых источников энергии для развития человечества становится всё более очевидной с каждым годом. В основе термоядерной энергетики лежат принципы природоподобных технологий, и значит, ее закономерно называть энергетикой будущего.
