Как советский бублик покорил мировую физику.Из цикла о необычных отечественных технологиях
Мы научились расщеплять атом, строить ядерные реакторы и водить сквозь арктические льды атомные ледоколы. Мирный атом стал привычной технологией, которая двигает промышленность и логистику. Но перед наукой стоит задача куда более дерзкая — перейти от деления ядер к их слиянию. Не разбивать атом, а соединять. Поймать в ловушку рукотворное солнце.
И у этой ловушки удивительная форма. Бублик.
Форма, которую рисовали тысячелетиями
Люди всегда любили круги, петли и кольца. Узор из пересекающихся окружностей, который сегодня называют «Цветком Жизни», можно найти на колонне храма Осириса в египетском Абидосе. В Пекине, в Запретном городе, похожий орнамент украшает резной шар под лапой каменного льва-хранителя. Встречается он и в древней Месопотамии. А в Европе эпохи Возрождения его чертил в своих тетрадях Леонардо да Винчи.
1. Шотландия, 2. Израиль, 3.Китай, 4.Турция, 5.Египет,6. Индия, 7. Германия, 8. Больгария, 9.Швеция,10.Франция, 11.Чехия, 12.Греция.
Совпадение ли это? Может быть. А может быть, люди всегда интуитивно чувствовали в кольце что-то главное — форму, в которой движение не кончается. Древние мастера рисовали её как символ вечности. Физики XX века пришли к ней через уравнения. И оказалось, что кольцо — не просто красивая форма, а та самая, в которой можно удержать звезду.
Что такое тор и почему природа его любит
Тор — это то, что получится, если взять окружность и прокрутить её вокруг оси, которая лежит рядом. Бублик, спасательный круг, обручальное кольцо — всё это торы.
Природа выбирает эту форму удивительно часто. И почти всегда там, где что-то движется по кругу и возвращается само в себя.
Кольцо дыма, которое выпускает курильщик или вулкан, — тор: воздух в нём закручен и бежит по кругу, поэтому кольцо долго держит форму. Дельфины умеют выпускать такие кольца из пузырей и играть с ними.
Вокруг Земли висят радиационные пояса — огромные бублики из заряженных частиц, которые магнитное поле планеты держит в ловушке.
А возле Юпитера есть настоящий плазменный тор. Вулканы его спутника Ио выбрасывают вещество, оно превращается в плазму, и магнитное поле Юпитера удерживает её гигантским светящимся кольцом вокруг планеты. По сути, это природная магнитная ловушка для плазмы — та самая задача, которую предстояло решить физикам.
Где что-то течёт без начала и конца, там появляется кольцо. Поэтому неудивительно, что физики, искавшие способ запереть звезду, пришли к той же форме.
Задача, от которой плавится всё
Чтобы запустить термоядерную реакцию — слить ядра водорода и получить колоссальную энергию, — вещество нужно разогреть примерно до ста миллионов градусов. Это в несколько раз горячее, чем в ядре Солнца, где около пятнадцати миллионов.
Почему нужно горячее, чем на Солнце? Солнцу помогает гигантское давление его собственной гравитации. У нас на Земле такого пресса нет, поэтому недостающее приходится добирать температурой.
И сразу встаёт вопрос: в чём держать такую плазму? Ни один материал на Земле не выдержит прикосновения — металл и керамика испарятся мгновенно.
Сахаров и Тамм
Молодой физик Андрей Сахаров (слева) и академик Игорь Курчатов. Начало 1950-х годов.
В начале 1950-х годов молодой физик Андрей Сахаров вместе со своим учителем Игорем Таммом предложил решение. Если никакие стенки не выдержат, плазму нужно подвесить в вакууме и удерживать невидимыми стенами — мощным магнитным полем.
Кстати, о Тамме. Его дед перебрался в Россию из немецкой Тюрингии, а сама фамилия по-эстонски означает «дуб». Человек, который помог приручить звезду, носил имя самого крепкого дерева.
Почему именно бублик: задача о причёсанном еже
В математике есть теорема с забавным названием — «о причёсывании ежа». Она утверждает: шар, покрытый волосами, невозможно гладко причесать. Где-нибудь обязательно останется вихор или проплешина. Проверьте на теннисном мяче с ворсом или на собственной макушке.
А вот бублик причесать можно. Волоски на нём ложатся ровно по кругу, без единого вихра.
С магнитным полем то же самое. Если поле замкнуть на шаре, где-то неизбежно появится «вихор», через который плазма вырвется наружу. В прямой трубе плазма уйдёт через концы. А на торе силовые линии бегут по кругу без начала и без конца, и плазме некуда деться.
Так родился токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. Советский бублик для звезды.
Т-3: когда Запад не поверил
В 1968 году на советском токамаке Т-3 группа Льва Арцимовича получила плазму с температурой, о которой на Западе тогда и мечтать не могли. Цифрам не поверили: слишком хорошо, чтобы быть правдой.
И тогда случилось редкое для холодной войны событие. В Москву прилетели британские физики со своей лазерной аппаратурой, чтобы перемерить всё сами. Они перемерили и подтвердили: советские цифры верны.
После этого мир развернулся. Лаборатории США, Европы и Японии одна за другой переходили на советскую схему. Сегодня токамак — главный мировой стандарт термоядерных исследований. И самый большой термоядерный проект планеты — тоже токамак.
От долей секунды к минутам
Первые токамаки удерживали плазму лишь мгновения. Сегодня счёт идёт на минуты.
Южнокорейский токамак KSTAR, который называют «корейским искусственным солнцем», в 2024 году удерживал плазму с температурой 100 миллионов градусов 48 секунд, а режим улучшенного удержания плазмы — больше ста секунд. В 2025 году китайский EAST и французский WEST удерживали плазму больше тысячи секунд, правда, при более низких температурах.
Работает над термоядом и Россия: в 2021 году в Курчатовском институте запустили модернизированный токамак Т-15МД.
Но сделать последний шаг к термоядерной электростанции не под силу ни одной стране в одиночку.
Проект «Земляне»: ИТЭР
Поэтому знания и технологии со всего мира стекаются на юг Франции, в Кадараш. Там строится ИТЭР — один из самых дорогих и сложных научных проектов в истории.
ИТЭР — не французский, не российский, не американский и не корейский проект. В нём семь участников: Европейский союз, Россия, США, Китай, Индия, Япония и Южная Корея, а за ними стоят больше тридцати стран. В эпоху бесконечных геополитических разломов термоядерная физика остаётся одной из немногих площадок, где человечество продолжает работать вместе.
Контрасты этой установки поражают воображение:
* Плазма разогреется до 150 миллионов градусов — в десять раз горячее центра Солнца.
* Удерживать её будут сверхпроводящие магниты, охлаждённые жидким гелием до −269 °C. В паре метров друг от друга окажутся одно из самых горячих и одно из самых холодных мест во Вселенной.
* Российский вклад: российские инженеры изготовили и поставили одну из полоидальных магнитных катушек, сверхпроводники и системы нагрева плазмы.
Главная цель ИТЭР — показать, что термоядерная реакция может давать в десять раз больше энергии, чем тратится на разогрев плазмы. По нынешнему графику первые научные эксперименты на установке начнутся в 2030-х.
Что даст укрощённая звезда
Если человечество доведёт термояд до электростанций, изменится многое.
Топливо из моря. Один из компонентов топлива — дейтерий — есть в обычной морской воде. По распространённой оценке, дейтерий из литра воды по энергии сопоставим примерно с тремястами литрами бензина. Второй компонент, тритий, получают из лития.
Безопасность. Взрыв или разгон реакции в таком реакторе невозможны в принципе: при любом сбое плазма остывает за доли секунды, и реакция гаснет сама. Радиоактивные материалы при этом есть, но долгоживущих отходов, которые приходится хранить тысячелетиями, как у обычных АЭС, термояд не оставляет.
Изобилие. Почти неисчерпаемая энергия позволила бы опреснять океанскую воду для засушливых земель и, возможно, когда-нибудь создавать двигатели для дальнего космоса.
Звезда для всех
Советский бублик, которому когда-то не поверили и который перемерили лазерами, стал мировым стандартом. А строят его итоговую версию все вместе.
Может быть, в этом и главный урок термояда: некоторые задачи слишком велики для одной страны.
Каждое утро над всеми странами встаёт одно и то же Солнце. Оно не спрашивает, кто где живёт и на каком языке говорит, и светит всем одинаково. Однажды люди зажгут на Земле свою маленькую звезду. И, может быть, именно она поможет нам почувствовать себя не жителями разделённых территорий, а землянами.
Тогда кольцо замкнётся. От узора на древней колонне, который рисовали как символ вечности, — к звезде, которую человечество зажжёт своими руками.
