19 января 2011

Термоядерная мечта

История Троицкого института инновационных и термоядерных исследований, да и большей части атомной науки так тесно переплелись в судьбе главного научного сотрудника ТРИНИТИ, доктора наук, профессора, руководителя лаборатории лазерного нагрева Николая Ковальского, что уже не определить, где человек, а где реакция мирного термоядерного синтеза.

За 55 лет «термояд» стал частью жизни Николая Ковальского. Выпускник МФТИ, он попал в Новочеркасский политехнический, преподавал физику. Переехал из Москвы, прервав полуторалетнюю работу над дипломом в Институте теоретической и экспериментальной физики (в то время ТТЛ). Потому что родилась дочка, и жить втроём без своего угла было невозможно. Но оставалась невостребованной изрядная часть знаний и энергии молодого человека.

— За два года в Новочеркасске я прочёл много книг и ещё раз прошёл курс общей физики, — смеётся Николай Ковальский. — Говорят, если хочешь что-то понять досконально, надо это преподавать. Когда готовишься к лекции, неудобно не знать ответа на какой-либо вопрос, который могут задать студенты. Поэтому я дома сам себе задавал вопросы и искал на них ответы.

Он читал всё связанное с передовыми исследованиями в ядерной физике. Из англоязычной периодики узнал, что в мире вспыхнул интерес к управляемому термоядерному синтезу (УТС). У нас в стране такие исследования начались в Курчатовском институте. Тогда Ковальский написал учёному секретарю отделения физики и астрономии АН Льву Арцимовичу, выходцу из знаменитой школы Иоффе, человеку, которому лично Курчатов поручил возглавить исследования по УТС.

— Высказывался в том духе, что соскучился по настоящей науке, — вспоминает Ковальский. — Арцимович ответил, мол, всё понимает, но кота в мешке покупать не хочет. Однако если моё желание попасть к нему в отдел на самом деле велико, то я могу продемонстрировать свои способности, написав научный реферат о какой-либо работе по физике последнего времени.

РЕФЕРАТ КАК ПРОПУСК В НАУКУ

Это был шанс, и Николай Ковальский не собирался его упускать. Насчёт темы особых сомнений не возникло — достижения квантовой электродинамики. Проблема была только в том, что в Новочеркасске не выписывали журнал Physical Review с информацией о «физике последнего времени». Ковальский звонил в Москву своим однокурсникам, просил помочь. Товарищи присылали ему свежие номера. Через год реферат был отправлен Арцимовичу.

— Он ответил, что им с профессором Лукьяновым как раз разрешили организовать на физфаке МГУ кафедру атомной физики. Туда они намереваются перевезти две плазменные установки из Курчатовского института и читать лекции. В этой связи нужен свой человек в МГУ, который умел бы обращаться с плазменными установками.

Арцимович предложил Николаю Ковальскому поступить в аспирантуру физфака МГУ, чтобы собирать материалы к диссертации на кафедре атомной физики. А после защиты обещал взять в свой отдел, решить вопрос с пропиской, дать жильё и интересную работу.

Осенью 1956 года 25 летний Ковальский приехал в Москву и стал аспирантом МГУ. Получил комнату в общежитии университета. Три года ему предстояло жить вдали от жены и дочки. Вот такой каламбур: он скучал по ним, хотя времени скучать не было.

ТРУБА ДЛЯ ПЛАЗМЫ

Ковальский учился в аспирантуре, но ему постоянно приходилось преподавать. Дело в том, что Арцимовича и Лукьянова часто вызывали на совещания и отправляли в срочные командировки. А лекции на кафедре атомной физики тем временем читал оставшийся за них «свой человек». Хотя основная задача Ковальского была другой — досконально исследовать свойства и поведение плазмы в Z пинче.

— Цилиндрическая разрядная камера Z пинч — это труба из изолятора, например стекла или фарфора, — объясняет он просто и образно, как подсказывает ему 38 летний опыт преподавания. — Она сантиметров 30 в диаметре и около метра длиной. Внутри расположены электроды. Из трубы откачивают воздух и вводят газообразную смесь дейтерия и трития. Далее на электроды подаются очень большие токи — в сотни тысяч ампер. Питание от промышленной электросети их обеспечить не может. Необходим накопитель энергии, в роли которого выступала конденсаторная батарея размером с большую комнату. Батарея набирала напряжение в 40 кВ, а затем с помощью специального устройства разряжалась. Ток короткими импульсами подавался на электроды. Инициировался электрический пробой газа в камере, плазма образовывалась, нагревалась и сжималась к оси цилиндрической камеры (самосжатие плазменного столба с током и есть пинч-эффект). В центре камеры образовывалась плазма с высокой плотностью и температурой. В ней должен был происходить синтез ядер дейтерия и трития. Выделившаяся энергия, по крайней мере так показывали бумажные расчёты, могла превзойти затраченную. И тогда это был бы термоядерный энергетический источник.

БОМБА НА КОНФЕРЕНЦИИ МАГАТЭ

Сама по себе идея управляемого термоядерного синтеза родилась не из воздуха, а из практики синтеза неуправляемого. Ведь взрыв водородной бомбы и есть выделение энергии, образовавшейся при синтезе ядер дейтерия и трития. Только запалом там служит небольшая плутониевая бомба (триггер). В результате её взрыва плазма образуется, нагревается, происходит синтез ядер, и выделяющаяся энергия во много раз превосходит затраченную.

Учёные с начала 1950 х задавались вопросом: как сделать некое подобие термоядерной бомбы, в которой энергия будет выделяться постепенно и малыми дозами. Были запущены программы изучения УТС. Исследователи верили, что вот-вот всё получится, но им оказалось недостаточно знаний по физике высокотемпературной плазмы. Физическую природу целого ряда явлений, происходивших во время экспериментов, удалось понять только после создания более сложных установок. Чтобы обеспечить положительный выход энергии, нужно решить две немыслимой трудности задачи: нагреть плазму до 20 КэВ, то есть до 200 млн. градусов, и обеспечить её эффективное удержание и термоизоляцию. Но даже тогда, во второй половине 1950 х, учёные добились крупного успеха: на установке Z пинч были получены нейтроны. Правда, не столько, сколько требовалось для положительного выхода, но достаточное количество, более-менее совпадающее с расчётами. Казалось, надо только увеличить установку, давление, токи — и дело в шляпе.

Хрущёв и Курчатов во время визита в Англию в 1956 году сообщили о проводимых в этом направлении работах и буквально ошеломили мировую научную общественность. А в 1958 году Z пинч повезли на конференцию МАГАТЭ. Перед этим в МГУ на ту установку, где работал Ковальский, пришла большая комиссия из Минсредмаша, которой хотели продемонстрировать Z пинч в действии.

— И установка, и конденсаторная батарея располагались в очень большой комнате, — вспоминает Николай Ковальский. — Когда батарея начинала заряжаться, в комнате находиться было запрещено. Управление велось из соседнего помещения. Но комиссия решила остаться поближе к месту эксперимента. Сказали: «Когда уже будет близко к тому, чтобы стрелять, вы крикните, и мы выйдем». И вот конденсаторы заряжаются до 35 кВ, и… происходит визит-эффект. Видимо, поднятая гостями пыль попала в разрядник, бах — саморазряд. Хлопок был такой силы, что все попадали. Я думаю: «Всё, прощай наука, теперь уволят». А они встают с пола радостные и говорят наперебой: «Вот это да! Вот это установка! Вот это мы им покажем! А нельзя ещё маленькое окошечко сделать, чтобы снаружи было видно, что происходит?»

КРАСИВАЯ БУМАГА ОТ КУРЧАТОВА

Николай Ковальский в 1959 году окончил аспирантуру. На наработках, сделанных за время исследований, он мог защититься в МГУ, но не хотел. А в Курчатовском институте хотел, но ещё не мог. Потому что там к диссертациям относились более чем серьёзно.

— Когда я пришёл в Курчатовский институт под начало Лукьянова, — рассказывает он, — как раз появились магнитные ловушки. Мне сразу поручили создать и исследовать антипробкотрон. Потом этот наш антипробкотрон, получивший название «Орех», даже демонстрировался в павильоне «Атомная энергия» на ВДНХ. Однако толку от него было мало. Хотя нет, я неправильно говорю — и на Z пинче, и на ловушках было сделано много открытий, продвинувших вперёд ядерную физику и физику плазмы. Они нашли и находят множество применений в самых разных областях, но в качестве источника термоядерной энергии всё это не годилось.

В 1961 году Николай Ковальский обобщил всё, что делал в аспирантуре, добавил наработки за последний год и защитил кандидатскую диссертацию. Арцимович тоже сдержал обещание, обеспечив своему новому сотруднику жильё и самое интересное занятие.

— У меня сохранилась очень красивая бумага, — с хорошо замаскированной гордостью говорит учёный. — Курчатов просит разрешения у начальника милиции прописать меня и мою семью в Москве. До приезда жены с дочерью из Новочеркасска меня одного прописали и поселили прямо напротив Курчатовского института. Одно время я жил рядом с Арцимовичем, даже в гости друг к другу ходили. А вот с 1961 года по 1971 год мы жили в центре, хотя и тесновато, но счастливо. Ну а потом получили хорошую трёхкомнатную квартиру в новом доме на площади Курчатова.

ЭРА ТОКАМАКОВ

— А вообще в 1961 году я чувствовал себя не очень комфортно, — признаётся Николай Ковальский, вспоминая то время. — Потому что в коллективе были люди, которые больше меня сделали и для науки, и для института. И физику они знали не хуже меня, но не защитились, а я защитился. Надо мной посмеивались. Я думал: «Эх, надо было отложить ещё года на два».

Некоторая нервозность в коллективе объяснялась ещё и тем, что однозначная уверенность в настроениях 1958 года сменилась на неоднозначность и неуверенность в начале 1960 х. УТС, казавшийся таким доступным, теперь ускользал. Учёные гнались за ним, работали в разных направлениях. Несколько групп занималось совершенствованием магнитных ловушек, тоже разных. А одна группа взялась за исследование токамаков.

— Кстати, вы знаете, кто начинал работы с токамаками? — спрашивает Ковальский. — Да, Сахаров и Тамм в 1950 году сказали, что надо делать тороидальные системы. А на практике к их созданию приступил Натан Явлинский, начальник одного из наших отделов, дядя известного политика. В 1966 году Натан Явлинский с женой и одним из двух сыновей погиб в авиакатастрофе. Исследования продолжили сотрудники его отдела. И только в 1969 году на конференции в Новосибирске коллегам Явлинского удалось доказать, что они получили самые высокие температуры и что это действительно самое перспективное направление в УТС. И до того убедительно доказали, что американцы и англичане, специально приезжавшие с собственной аппаратурой проверять достоверность результатов, сразу же принялись переделывать свои крупные системы — стеллараторы, на токамаки.

Тем не менее, одновременно с токамаками появилось в науке об УТС ещё одно направление, не менее перспективное, но закрытое для общественности. Называлось оно инерционным термоядерным синтезом.

ЗАКРЫТОЕ НАПРАВЛЕНИЕ

Оказалось, что теоретически можно запустить мирную термоядерную реакцию безо всяких магнитных полей, удерживающих и изолирующих высокотемпературную плазму.

— Идея была красивой, — рассказывает учёный. — Если удастся существенно увеличить плотность высокотемпературной плазмы, то в отсутствии её удержания внешними полями время разлёта ядер тяжёлых изотопов водорода будет весьма мало, но всё же конечно. И за этот промежуток в определённых условиях можно надеяться, что число реакций ядерного синтеза будет достаточно велико для того, чтобы выделяющаяся энергия превзошла затраченную.

По сути, речь шла о создании и взрыве в реакторе маленьких водородных бомбочек. Простые оценки показывают, что для реализации этой идеи в твёрдые шарики из дейтерий-тритиевой смеси диаметром 1–2 мм нужно вводить энергию, достаточную для создания плазмы с температурой 20 КэВ за 1–2 наносекунды. Сделать такие шарики, замораживая дейтерий с тритием при гелиевых температурах, было можно. Но чтобы сообщить каждому ядру энергию в 20 КэВ, да ещё за наносекунды, требовалось создать энергетический источник с мощностью не менее 10 14 Вт. До появления лазеров (1960 год) о таких сверхмощных источниках, способных сыграть роль запала для нановзрывов, не было и речи. Но спустя 10 лет в распоряжении учёных уже были сильноточные генераторы высоковольтных импульсов, которые могли передать энергию не лазерным лучом, а сверхмощным пучком, например лёгких ионов.

Итак, к 1970 м была сформулирована программа лазерного термоядерного синтеза и началась научная работа. Секретность же направления долгое время сохранялась потому, что установки для инерционного термоядерного синтеза имели двойное применение. Кроме физиков ими чрезвычайно интересовались военные. Ведь с термоядерным синтезом открывалась возможность моделировать и совершенствовать ядерное оружие без масштабных испытаний.

ФИЛИАЛ НА ОБОЧИНЕ

С 1960 по 1972 год Николай Ковальский работал в Курчатовском институте. Он выполнил множество интересных исследований поведения плазмы в различных магнитных ловушках и активно участвовал в разработке методов диагностики плазмы с использованием лазерной техники. Мог бы защитить докторскую. Однако из-за непреодолимой тяги к лазерному термоядерному синтезу принял предложение Велихова и перешёл на работу в филиал Курчатовского института в Троицке (сейчас ТРИНИТИ). Филиал был образован по двум причинам: строжайшая секретность направления и отсутствие в Курчатовском институте площадей, на которых можно было бы строить новые крупномасштабные установки.

В Троицком филиале Николай Ковальский получил степень доктора наук. Под его руководством были созданы лазерно-плазменные установки «Мишень 1 » и «Мишень 2» с лазерами на фосфатном неодимовом стекле. Зафиксированные на этих установках результаты признаны широкой научной общественностью у нас в стране и за рубежом, неоднократно попадали в доклады на международных конференциях, опубликованы в монографиях и специализированных журналах. Ковальский участвовал в создании одной из двух в то время крупнейших в мире установок с сильноточным генератором высоковольтных импульсов «Ангара», а также во многих других программах. Недаром его имя вписано в хронику освоения мирного «термояда».

— Однажды, в конце 1970 х приехали американцы, — вспоминает учёный забавную историю, положившую начало сотрудничеству с США. — А в это время мы совместно с Прохоровым создавали здоровенную лазерную установку. Представьте себе большую сферическую вакуумную камеру, в которую с разных направлений вводятся широкие лазерные пучки, выходящие из крупномасштабных активных элементов многоканальной системы на неодимовом стекле. Выглядело это внушительно. А лазерные активные элементы изготавливали на питерском заводе «Ломо» и, видимо, учитывали наряду с какой-то другой, серийной, продукцией. По крайней мере, на каждом активном лазерном элементе был краской написан четырёхзначный порядковый номер. Американцы как увидели цифры, так оторопели. Один даже подошёл и руками потрогал лазер. Проверил, не крашеная ли это деревяшка. Ведь, судя по номерам, выходило, что мы уже десятки таких установок построили. Случайно или нет, но вскоре в Америке начала бурно развиваться программа лазерного термоядерного синтеза.

— У нас тоже был огромный проект, — продолжает Ковальский. — Мы много чего изучили, много чего исследовали и нашли, что оказалось полезным и в нашей области, и в смежных, и просто для фундаментальной науки. И с американскими учёными у нас сложились очень хорошие отношения. Даже во время войны в Афганистане мы летали на конференции в США. И мы развивались с ними практически ровно — ну, может быть, они немного больше денег в программу вкладывали. А в 1986 году у нас обрезали финансирование. Раз — и всё, мы на обочине.

ЗАБЕГ НА ДЛИННУЮ ДИСТАНЦИЮ

Тем временем управляемый термоядерный синтез продолжал развиваться по двум направлениям — магнитному и лазерному. В обоих для достижения результата требовались всё более грандиозные установки, в которых можно создать максимально высокие температуры и плотности. В магнитном удержании, то есть в токамаках, последние и наиважнейшие открытия были сделаны на установке Jet, построенной в Англии странами Евросоюза. Следующим шагом стал международный проект ITER, который сейчас реализуется во Франции и стоит 13 млрд. долларов.

Научные исследования как забег на длинную дистанцию, где выигрывает тот, кто умеет упорно трудиться и терпеть. В инерционном синтезе сегодня лидируют американцы. В сентябре 2010 года они запустили грандиозную установку NIF в Ливерморе, потратив порядка 5 млрд. долларов. Сборка продолжалась девять лет, а деньги выделяло военное министерство и министерство энергетики США. В результате получилась вакуумная камера диаметром 8 м, в которую вводятся 192 мощнейших лазерных пучка, способных обрушивать на находящуюся в центре камеры мишень энергию в 1,8 МДж с неравномерностью облучения менее 1%. Частота подачи и, соответственно, расстрела мишени — 5–6 Гц.

ВОДА, РЕНТГЕН И ДРУГОЕ

— А как же отечественные исследования? — спрашиваю я собеседника.
— Американцам всегда нравилось то, что мы здесь на более мелких установках делали. К тому же ещё было очень много неясностей, они просили нас часть вопросов решить или проверить. За что и поддерживали некоторое время морально и материально. Такое сотрудничество позволило нам выжить, быть в курсе самых последних достижений инерционного термоядерного синтеза и даже вести кое-какие разработки. Вот сейчас, например, основная проблема положительного выхода энергии из инерционного синтеза в том, что у существующих лазеров не самый лучший КПД. С другой стороны, японцы изобретают новые, керамические лазеры, которые должны будут решить проблему. Но продукт пока не готов, он ещё в разработке. Надо много чего доисследовать, досчитать. И у нас есть люди, которые очень хорошо в этом разбираются. Было бы финансирование, мы могли бы занять позицию в группе лидеров.

— А есть ли у ТРИНИТИ шанс в рыночных условиях получить финансирование?
— Знаете, мы же фундаментальная наука, то есть существуем на финансирование извне. Но в последнее время в институте принято решение искать техническое применение разработкам, которые у нас уже есть. Например, проведя ряд исследований, мы установили, что облучая воду определённым способом, можно добиться того, что в воде образуются радикалы ОН, а они на два порядка лучшие окислители, чем обычный кислород. С их помощью в воде все примеси выжигаются, особенно бактериологические, органические и так далее. То есть мы можем создавать суперфильтры для воды. И на наших технологиях ещё очень много чего можно сделать, но это уже, конечно, не наука.

— Ну, а если потребуется наука, какие у вас, то есть у учёных ТРИНИТИ, могут возникнуть трудности?
— Самое трудное сейчас — это чтобы было кому восстанавливать, — смеётся Николай Ковальский. — Ведь средний возраст тех, кто ещё не уехал за границу, — 60 лет. Это никуда не годится. В нашем деле очень тонкие вещи есть. Для их передачи надо, чтобы следующее поколение «стояло» 10 лет рядом и перенимало знания и опыт. Надо, чтобы разница была в пять лет, тогда одно поколение сменяло бы другое. А вот мы сейчас в тираж выйдем и что? Два года назад умер мой коллега и товарищ Владимир Баранов. И мне уже 79 лет исполнилось. Кто после нас останется?

— В ТРИНИТИ у вас есть преемник?
— Да, Александр Гольцов, но он занялся сейчас другими делами, к сожалению.

— А желания у вас есть? Что вам ещё хотелось бы сделать? — задаю я вопрос одному из тех людей, которые построили и прославили на весь мир отечественную атомную науку, посвятив ей всю жизнь.
— Не знаю, насколько политкорректно говорить об этом — отвечает он, подходя к окну, за которым главная гордость наших атомщиков — «Курчатник». — Я мечтаю, чтобы ТРИНИТИ вернулся в состав Курчатовского института. И я хотел бы застать это событие. Мы как-то случайно отделились в годы перестройки. Почему, уже толком и не вспомнить. Но потом стало понятно, что мы ампутированная конечность. Мы сможем полноценно жить и работать, только снова став его частью.

 

СПРАВКА

В ходе экспериментов Николаем Ковальским были представлены доказательства того, что наблюдающиеся в Z пинчах нейтроны хотя и являются продуктами синтеза ядер тяжёлых изотопов водорода, но, к сожалению, основная часть нагретого до высокой температуры плазменного столба не выступает в качестве их источника.

За труды в области управляемого термоядерного синтеза с лазерным поджигом, разработку и применение методов диагностики плазмы Николай Ковальский в 1981 году награждён орденом «Знак Почёта». В 1986 году стал лауреатом Государственной премии СССР. В 2006 году ему присвоено звание «Заслуженный деятель науки РФ».

Установка «Ангара-5-1» постороена в ТРИНИТИ в 1984 году. Она до сих пор является крупнейшим на континенте генератором сверхмощных (до 12 ТВт) электрических импульсов для физических исследований в области инерционного синтеза. На её основе планировалось построить «Ангару-5-2», по мощности примерно равную установке NIF в Ливерморской лаборатории США, однако этим планам помешал развал СССР.