АТОМНЫЙ АД И УТОПИЯ ТЕРМОЯДА В СТРАНЕ САМУРАЕВ.
И НЕ ТОЛЬКО

Валентин Анатольевич Белоконь, академик Академии Космонавтики,
 выпускник ФТФ МГУ/МФТИ

 

Японцам - талантливым трудоголикам - фатально не везет с ядерной физикой. Вспомним атомные бомбардировки японских городов и недавнюю катастрофу на АЭС "Фукусима". По иронии судьбы решающий вклад в теорию атомного ядра (то есть ядерной энергетики) сделал в 30-х годах японец Хидеки Юкава, заслуживший Нобелевскую премию 1949 года. Гипотетическую модель атома, аналогичную планете Сатурн, с электронными кольцами вокруг положительно заряженного ядра (под впечатлением открытия тогда еще необъяснимой радиоактивности) первым гениально предложил японец Хантаро Нагаока. Он вполне мог рассчитывать на Нобелевскую премию, но всемирная слава обошла его стороной.

Тщательные эксперименты группы, руководимой британцем Эрнстом Резерфордом, подтвердили принципиальную истинность модели Нагаоки. Планетарная модель атома стала неотъемлемой частью физики с 1911 г. - после публикации результатов группы Резерфорда в самом солидном британском научном журнале "Philosophical Magazine". Но Резерфорд как бы не заметил решающего вклада японского коллеги, хотя специалистов в атомной физике тогда были единицы… А модель Нагаоки была опубликована в том же "Philosophical Magazine" семью годами ранее.

В эти же годы ближайший коллега и соперник Резерфорда - Фредерик Содди публикует книгу "Радий и его разгадка", в которой предсказывает практическое "освоение ядерной энергии, на основе контроля и деления, и слияния атомных ядер". Под влияние Содди попадает классик футурологии Герберт Уэллс. В романе "Освобожденный мир" он в 1913 г. описал мировую войну с применением "Атомной Бомбы" (Atomic Bomb), вызывающей смертоносные радиоактивные осадки. Между тем апостолы физики начала ХХ века - Эйнштейн, Резерфорд и Бор отрицали такую перспективу физики ядра в принципе.

Мало того, когда в 1920 г. британский астрофизик Артур Эддингтон и французский естествоиспытатель Жан Перрен объяснили энергию Солнца перегоранием водорода в гелий, Нильс Бор их "опроверг", утверждая что звезды горят благодаря нарушению принципа сохранения энергии. А в 50-х он счел лазер неосуществимым...

Кстати, до Эддингтона энергию звезд «объяснил» Джинс – как результат аннигиляции электронов.

Содди и Уэллс пророчествовали не только кошмар атомной войны, они даже предвидели такой нюанс, что без ядерного оружия невозможным станет суверенитет государств. Более того, в том же романе Уэллс называет год (1953) пуска первой в мире АЭС. Ошибка всего на год! Первая атомная электростанция была запущена в 1954 г., правда в Обнинске, а не в родной автору Англии. Другой прогноз - открытие искусственной радиоактивности им назначено на 1933 г. Подтвердилось: Нобелевская премия 1934 г. (Жолио-Кюри).

Кстати, случайно ли авторы учебников игнорируют эти поразительные прогнозы прогресса ядерной техники?

Среди пророчеств Содди-Уэллса есть, например, и такое: в ряду побочных продуктов мирной атомной энергетики окажутся вещества не только экологически приемлемые, но даже золото. Пока же многими десятилетиями в радиоактивных "могильниках", зачастую ненадежных, накапливаются многие сотни тысяч тонн опасных отходов деления тяжелых изотопов, неумолимо производимых не только на мирных АЭС, но и на фабриках ядерного оружия. Всерьез надеюсь, что в XXI веке изобретут АЭС, производящие золото и платину.

А что же японцы? Японские физики понимали многое, но их генералы оказались гораздо менее прозорливыми. Они не смогли увидеть перспектив не только физики ядра, но даже радаров. Их авантюра кончилась атомным адом Хиросимы и Нагасаки.

Не секрет, что с 1945 г. Япония - своего рода американская сатрапия. Но ныне уже не та. Не хватает лишь обретения (вполне реального) собственной водородной бомбы, чтобы США залебезили перед своим заклятым "союзником"…

Ныне Страна самураев уже осмелилась было стучать кулаком и по Кремлевской стене, требуя безоговорочного возврата Южных Курил. Но тут грохнула "Фукусима"… "Японский Чернобыль" вместе с цунами, убившей около 20 000 жителей, сокрушил не только и не столько экологию и энергетику Японии. Катастрофа нависла над самим будущим страны.

Скорее всего, через год-полтора явные последствия землетрясений и цунами будут ликвидированы, но останется неумолимая проблема - как развивать энергетику? Былая надежда на тотальную атомную энергетику “по-французски” (где около 80 процентов электричества дают атомные котлы) уплыла вместе с радиоактивной водой системы охлаждения Фукусимы.

Но второй индустриальной державе мира необходима энергетическая независимость. Энергия приливов, как и ветра, слишком жиденька да и дорога… Не спасут и солнечные батареи. Поток солнечной энергии у поверхности Земли слишком мал. Даже углеводороды, начиная со сжиженного газа, угодливо предлагаемые Россией, японцев "почему-то" не так уж радуют. Что же делать?

Уверенно рискну посоветовать их экспертам: займите удобную позу и, лениво попивая сакэ, подносимое очаровательной гейшей, внимательнее всмотритесь в свой национальный флаг… На нем - Солнце - колоссальный термоядерный реактор, аналог, "Токамаков", только не с "магнитным удержанием плазмы", а с гравитационным!

Но зачем останавливаться на такой аналогии? Имея хотя бы школьные знания астрономии (дофурсенковой), можно понять, что Солнце, как и мириады других звезд, - "тлеющая водородная бомба", в которой водород (1Н), сгорая, дает в качестве пепла обычный гелий (4Не). Калорийность такого горения (при температуре 15 миллионов градусов, плотности около 100 г/см3 и давлении в триллион атмосфер) раз в 10 выше, чем при цепной реакции в уране и плутонии: примерно 600 джоулей на нанограмм. А о взрывах сверхновых будет упомянуто в следующих публикациях.

Японцы, безусловно, и без моих советов задумываются над вариантом термоядерной энергетики своей страны. Их физики, высоко оценившие хитроумный метод удержания термоядерной плазмы в устройствах типа "Токамак", изобретенный и частично реализованный в СССР, также старательно следуют и по американскому пути микровзрывного "инерциального термояда", родившегося не позднее 1961 г., но до 1972 г. осуществлявшегося в рамках секретных программ янки. Хотя СМИ это замалчивают, в Японии подготовлено по крайней мере два проекта микровзрывных энергетических комплексов: FIREX и I-LIFT. В отличие от Солнца, в земном термояде топливом является не простой водород, а его тяжелые изотопы: дейтерий и тритий.

Известно, что Японцы - мастера заимствовать чужие научно-технические достижения. От нас они тоже нечто перенимали. И не только "Токамак". Подражали еще А.Н. Туполеву в конце 30-х. А вот пионером принципиальной идеи конструкции водородной бомбы был-таки японец Токутаро Хагивара - физик университета Киото. В мае 1941 г. в лекции он обнародовал принцип инициирования термоядерной реакции при помощи взрыва атомного заряда урана-235. Фактически Хагивара первым указал на применимость урановой бомбы, такой же, что была в августе 45-го сброшена на Хиросиму, для реализации бомбы водородной. Лекция была несекретной, а идея фантастичной - даже в атомную бомбу еще почти никто не верил.

Первыми подсуетились янки, собрав у себя большинство ведущих физиков-ядерщиков из объятой войной Европы. Один из корифеев ядерной физики, итальянский беглец Энрико Ферми уже в сентябре 41-го убеждал Эдварда Тэллера в принципиальной реализуемости схемы Хагивары, умолчав при этом о самом японском физике. Летом 42-го американская интернациональная группа ядерно-физических талантов собралась для сверхсекретного обсуждения "дейтериевой супербомбы", тут же ставшей плановым заданием группы Тэллера…

В 1946 г. соавторами Тэллера стали два выдающихся физика - ученик великого немца Давида Гильберта - Джон фон Нойман (великий венгерский еврей), а также самородок ариец, фанатичный коммунист Клаус Фукс. Так началась работа над проектом "Super".

Фукс не замедлил снабдить московского суперагента Феклисова немалой информацией о проекте "Super", за реализацию которого в Арзамасе немедленно взялись такие советские таланты как Я.Б. Зельдович и Д.А. Франк-Каменецкий.

В январе 50-го, когда Фукса уже частично разоблачили коллеги-британцы, президент США Гарри Трумэн объявил на весь мир, что с водородной бомбой янки заведомо и надолго опередят Советы. Трумэн имел в виду именно "Супер" Тэллера. Но тут случился парадокс парадоксов. К февралю 50-го года аспирант фон Ноймана польский математик Станислав Улам доказал принципиальную неработоспособность супер-бомбы. Так, неожиданно, самой страшной американской тайной оказалась не конструкция Н-бомбы, а ее неосуществимость!

Однако, в начале 1951 г. Улам, едва оправившийся от инсульта, придумал, как спасти Н-бомбу… Его идея - сжимать дейтерий до сверхплотного (как в центре Солнца) состояния волнами сжатия от взрыва атомной бомбы! А поскольку среди ближайших соратников Тэллера был "советский невозвращенец" Георгий Гамов (закадычный приятель Улама!), неудивительно, что идея эта стала известна в Арзамасе, где лидером разработки Н-бомбы вместо Зельдовича стал другой физик, А.Д. Сахаров.

1 ноября 1952 г. на одном из островов атолла Эниветок в Тихом океане американцы взорвали "Майк" - нетранспортабельное 80-тонное ядерное устройство, эквивалентное 10,4 мегатоннам тротила. Его конструкция в дальнейшем была усовершенствована американцами с учетом их сведений о "первой советской водородной" бомбе Сахарова, взорванной 12 августа 1953 г. Интересно, что транспортабельная Н-бомба Сахарова была готова к 5 марта того же года, но кончина Сталина привела к отсрочке испытания "Сахарницы", как ее называли коллеги по "Арзамасу-16". Выживи тогда Сталин, к атомному аду Хиросимы и Нагасаки он прибавил бы ад водородный, кинув бомбу на Окинаву, где была американская база во время Корейской войны (1950-1953), известной как "суррогат III мировой".

Эту бомбу, называемую также "Слойкой Сахарова", янки не считают настоящей водородной, поскольку в ней отсутствовал механизм сверхплотного сжатия термоядерной взрывчатки, хотя элемент литий США применили вслед за советскими физиками. Да и тротиловый эквивалент сахаровского взрыва августа 53-го оказался 400 килотонн, "всего лишь тридцать три Хиросимы". Но наша агентура не дремала, и Сахаров с коллегами перегнал американцев, создав к 1961 г. 100-мегатонную боеголовку для ракет УР-500 (прототип "Протона") Челомея с двигателями Глушко. Именно это (с учетом таких носителей, как Ту-95 и подлодки) послужило в октябре 1962 г. аргументом Хрущеву для достижения компромисса с Кеннеди в Кубинском кризисе.

"Подайте шашлык, но обойдитесь без дымного костра"?

"Абсолютное оружие", каким явилась водородная бомба, не было лишено принципиального изъяна - опаснейших радиоактивных осколков деления тяжелых элементов, используемых для "атомного запала". Физики не переставали искать - чем "чистым" заменить атомный запал Н-бомбы. И когда в 1960 г. заработал первый лазер, луч которого сулил в перспективе воздействие во многие миллионы атмосфер, в воздухе стала витать идея инициирования термоядерного взрыва без атомной бомбы. Уже мерещились очертания "чистой" водородной бомбы…

Несмотря на 50 лет титанических усилий лучших ученых и инженеров, приспособить для этого лазер не удавалось. Тем не менее вскоре может все-таки произойти свадьба лазера с термоядом! В этом году мировое физическое сообщество, затаив дыхание, ждет прорыва в поджигании "лазерных мишеней" - капсул со смесью трития и дейтерия - тяжелых изотопов водорода. Энергия их термоядерного взрыва должна в разы превзойти энергию лазерного выстрела. На громадном (170х70х50 м) лазерном термоядерном комплексе NIF (National Ignition Facility - Национальная установка лазерного поджигания термоядерного синтеза) Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии уже почти все готово для решающего эксперимента. Десятинаносекундный одновременный залп 192 мощнейших лазеров суммарной энергией около 1,5 мегаджоулей, сжимая капсулу с 150...200 микрограммами термоядерного топлива, вызовет микровзрыв энергией около 15 мегаджоулей. Ожидается, что в прототипах термоядерных электростанций выделяемая энергия достигнет    1000 мегаджоулей при 10 взрывах в секунду, с применением лазерных импульсов 3...5 МДж.

Практическая реализация лазерного термояда, безусловно, обернется Нобелевской премией. Правда, если судить по числу авторов статьи в февральском номере авторитетного еженедельника "Physical Review Letters", Нобелевскому комитету будет трудновато выбрать троих лауреатов из 420 физиков - участников этой работы. По мнению автора, нобелистами станут Джон Накколлс, Рэй Киддер и Джон Линдл.

Рискну изложить свой умеренно-оптимистический прогноз развития суверенной японской энергетики на основе лазерных термоядерных электростанций. Берусь утверждать, что, затратив $150…300 млрд, к 2022-2025 гг. Япония сможет разработать и запустить в эксплуатацию прототип микровзрывной термоядерной электростанции мощностью до 3...5 ГВт.

К 2030-33 гг., если не помешают войны, политические смуты или природные катаклизмы, в Стране Восходящего Солнца заработает как минимум дюжина промышленных микровзрывных термоядерных электростанций мощностью до 5...10 ГВт каждая, стоимостью порядка $10 млрд. С учетом дополнительных НИР и ОКР за 20 - 25 лет термояд обойдется Японии не дороже $1,5…2 трлн.

Солнечные батареи такой же (около 50 ГВт) суммарной мощности потребовали бы высвобождения до 1000 квадратных километров территории острова, на которых могли бы комфортно проживать не так уж и тесно около миллиона японцев.

Но может быть самое главное, термоядерные энергетические центры не только не будут производить радиоактивные отходы, они смогут перерабатывать опасные продукты деятельности АЭС, как это показано в работах Ливерморской национальной лаборатории.

Одним из самых мудрых высказываний Герберта Уэллса стало его кратчайшее: "История человечества - это история борьбы за свободную энергию". * Её актуальность мы наблюдаем сегодня как глобальную борьбу за мировые источники энергетического сырья. Истоки военных конфликтов на Ближнем Востоке видны именно здесь. Разве отсюда не следует потенциальная потребность в термояде, овладение которым разом опрокинуло бы парадигму глобальной энергетической зависимости? Тогда даже самые "безопасные АЭС", которые гений французской физики Жан Перрен провидчески называл "атомными бомбами замедленного действия", уйдут в небытие. И эта разновидность «мирного атома» перестанет служить инструментом опаснейшего военно-политического шантажа.

Асимметричность термоядерной энергетической геополитике будет состоять в том, что Вашингтону и Токио (да и Киеву) термояд позволил бы меньше покупать углеводородов, а Москве побольше их продавать не столь развитым странам, переключив внутренний рынок на электричество, вырабатываемое микровзрывами.

Между тем не желающие или не умеющие видеть перспективу влиятельные российские бонзы противятся пришествию термояда, резонно ссылаясь на гораздо большую реалистичность строительства новейших "абсолютно безопасных" АЭС. Правда, катастрофа "Фукусимы" дала им по рукам, равно как и тот факт, что АЭС принципиально уязвимы для террористических атак. Это радикально подрывает позицию пропагандистов АЭС. Вот и правительство Германии недавно приняло решение о полном прекращении эксплуатации всех АЭС страны к 2023 г., а плебисцит в Италии продлил запрет на АЭС, введенный там еще с 1987 г.

Что же, кроме убедительных прогнозов, радикально повлияло на американцев и заставило их выделить миллиарды долларов на термояд? К концу 1970-х годов установили, что для достижения порога микровзрывного термояда требуются лазеры, способные стрелять лучами энергией 100…1000 кДж. В то время это было абсолютно нереально. Неясно было, разработку каких именно лазеров следует субсидировать, на какие конструкции термоядерных капсул можно надежно полагаться. Но этот порочный логический круг удалось разорвать. Было предложено имитировать световые лучи будущих циклопических лазеров с помощью особой селекции световой вспышки подземных ядерных взрывов.

Многие годы американцы совершенствовали архитектуру термоядерных микробомб, и, когда принципиальная возможность лазерного термояда была подтверждена подземными ядерными испытаниями в рамках программы "Halite/Zenturion" Ливерморской и Лос-Аламосской национальных лабораторий, пришло время финансовых, инженерных и кадровых решений.

Оставшиеся для мировой науки во многом тайной, результаты тестов разнообразных конструкций микробомб в экспериментах с подземными испытаниями ядерных боеголовок обрабатывались и при создании прототипа лазерного термоядерного комплекса NIF. Его детальный проект был утвержден только к середине 1990-х годов. Аналогичная установка "Laser Me’ga-Joule" (LMJ) строится и во Франции в районе Бордо в подземном бункере. Сейчас американцам уже "рукой подать" до первых эффективных микровзрывов. Французы запаздывают года на полтора-два.

А что же мы? У нас давно наметился уклон в сторону магнитного удержания на установках типа "Токамак". Тем не менее в 1980-х наши спецы из Средмаша смогли добиться подключения к разработкам физико-технических основ лазерного (кстати, и ионно-пучкового, более эффективного для промышленной энергетики) микровзрывного термояда. У нас был разработан и аналог программы "Halite/Zenturion". К 1990 г. решающий эксперимент этой программы был тщательно подготовлен. Однако когда до этого перспективнейшего эксперимента на Семипалатинском полигоне оставались считанные дни, президент Казахстана Назарбаев распорядился закрыть "казахский атомный полигон", срочно прекратив там подземные ядерные взрывы. Российский микровзрывной термояд был отодвинут на провинциальный, недостойный ни российской науки, ни великой страны, уровень. И хотя "сверху" спускаются распоряжения о строительстве российского лазерно-термоядерного монстра, дальше деклараций дело пока почти не идет, хотя потенциал научных центров (ФИАН, ИТЭФ, Арзамас, Троицк и Снежинск) достаточен.

Нынешние надежные планы освоения контролируемого термояда подразумевают не слишком безопасную ядерную реакцию - слияние ядер тяжелых изотопов водорода - экологичного дейтерия (D) с радиоактивным тритием (Т). В результате этой реакции, наряду с "основным пеплом" - обычным гелием, рождаются нейтроны (n), несущие примерно 60…70 % выделяемой энергии:

50×10⁶ K + D + T = ⁴He + n + 339 Дж/нг.

Таким образом, при ожидаемом выгорании примерно половины термоядерного топлива экологически опасны и несгоревшие исходные компоненты (тритий), и продукты термоядерного горения (нейтроны). Поэтому, в отличие от пилотных термоядерных реакторов, в промышленных центрах будут использовать лишь минимальные доли трития. Основным топливом послужит дейтерий, а затем будет внедрен (взамен трития) легкий гелий-3, значительные залежи которого найдены на поверхности Луны. Тогда основной станет реакция, (соответствующая микровзрывам    10 ГДж):

300×10⁶ K + D + ³Hе = ⁴Hе + ¹H + 352 Дж/нг.

В итоге состоится новая энергетика, в сотни раз менее радиационно опасная, нежели наилучшие АЭС. Именно для этого физики ведущих ядерных центров десятки лет напряженно и неустанно работают над овладением такой сокровищницей практически неисчерпаемой энергии, пока дававшейся лишь в руки военных. Игра эта длится уже более полувека. Она уникально трудна, но абсолютно беспроигрышна (хотя “Токамак” уже под вопросом).

Термоядерная энергетика может оказаться чрезвычайно дорогой технологически. Промышленный термояд может потребовать чрезмерно дорого оборудования и суперкомпетентного персонала. Это может сделать промышленную термоядерную энергетику до поры до времени неконкурентоспособной. Но в дальней перспективе альтернативы ей не видно!

Еще до широкомасштабного внедрения в промышленную энергетику термоядерные микровзрывы обеспечат радикальное повышение (до    100 км/с) скоростей доставки экспедиций на Марс и обратно благодаря реактору максимальной мощности    100 ГВт (с которым читатель сможет познакомиться в одном из ближайших номеров). Космические корабли 2025-2030 годов будут создаваться и летать с участием стран, среди которых видное место займет Япония. Дай Бог, и Россия.