Текст книги "Кто угрожает России? Вызовы будущего"

В тисках энергетического кризиса

Сколько я себя помню, всё время идут разговоры о близящемся энергетическом кризисе. Дескать, углеводороды закончатся в течение ближайших 15–20 лет, и тогда человеческая цивилизация будет отброшена в век пара, начнутся беспощадные войны за последние капли нефти, к власти придут тоталитарные вожди, народы надолго забудут о комфорте и демократии, наступит темная мрачная эра. Единственным спасением может стать только управляемая термоядерная реакция (так называемый «термояд»), которая обеспечит человечество практически дармовой энергией.

Но время идет, а нефть не кончается, цены на нее то растут, то падают, открываются новые богатые месторождения и прокладываются новые трубопроводы. Вообще слухи о конце углеводородной эры оказались сильно преувеличены. Тем не менее энергетический кризис всё же может грянуть – потребление энергии растет очень быстро, и расширением добычи проблему уже не решить. К тому же нефть нужна в химической промышленности, и очень нерационально жечь ее просто так, оказывая дополнительное «давление» на окружающую среду.

Энергетики поняли это одними из первых, опередив футурологов, которые, сочиняя свои концепции будущего, часто забывают о самом главном – об энергии и способах ее преобразования. Еще в 1970-е была сформулирована концепция «газовой паузы» – то есть периода между двумя эпохами (не побоюсь этого слова!) в развитии энергетики: эпохами нефти и… угля.

Да-да, это не описка. Те, кто считает, что времена угля и пара ушли в прошлое, ошибаются. Уголь по-прежнему остается одним из самых приоритетных видов топлива, поскольку сравнительно дешев и его разведанные запасы огромны. Например, если говорить о странах СНГ, то разведанных запасов нефти нам хватит на 50 лет, запасов природного газа – на 70 лет, а угля – на 590 лет!

Однако есть нюанс – энергетика на каменном угле чрезвычайно затратна и грязна. Давно доказано, что по выбросам вредных веществ, в том числе и радиоактивному загрязнению, угольная энергетика превосходит атомную. В городах, снабжаемых угольными электростанциями, очень нездоровая обстановка. Поэтому было принято решение увеличить долю газа в энергетике страны, снизив вредное воздействие и обеспечив растущее потребление.

Тут надо вернуться к основам и напомнить читателям, что по методам преобразования энергии мы еще не вышли из XIX века – и на обычных тепловых, и на атомных станциях стоят огромные турбины, которые вращает водяной пар. Сам же пар получается в котле или реакторе – по сути это огромные чайники. К сожалению, Вселенная устроена таким образом, что мы не можем преобразовать всю энергию, которую получаем в тепловом цикле, – часть ее, довольно большую, нам приходится выбрасывать в окружающую среду. Для этого рядом с тепловыми станциями строят градирни (огромные широкие трубы гиперболоидной формы), а рядом с атомными – выкапывают пруд-охладитель. Совершенство энергетической установки определяется коэффициентом полезного действия (КПД), который можно повысить, например, за счет увеличения температуры в котле. Однако и разогревать рабочее тело (в данном случае – пар) до бесконечности мы не можем: раньше или позже прогорят стенки.

Для повышения КПД придумали использовать комбинированные установки. Представьте себе турбину, работающую не на паре, а на газе, который сгорает непосредственно в ее проточной части. Чем выше температура на входе в такую турбину, тем выше ее эффективность, но и на выходе температура газовой смеси всё еще очень высока. А если сделать так, чтобы выходящая смесь не улетала просто так, а грела воду в котле, к которому подключены небольшие паровые турбины? Таким образом мы резко повысим общую мощность и эффективность энергоустановки – экономия газа при этом составит аж 35 %! Долгое время развитие подобных парогазовых установок (ПГУ) с котлами-утилизаторами (КУ) сдерживало отсутствие компактных систем охлаждения для мощных газовых турбин, позволяющих работать с высокими температурами. Но в середине 1990-х такие системы появились, и западные компании («ABB-Alstom», «General Electric», «Siemens», «Pratt & Whitney») выпустили на рынок целую серию мощных энергетических газотурбинных установок.

Природный газ хорош еще и своими свойствами. Прежде всего, он бесцветен, не имеет запаха (то, что считается «запахом газа», на самом деле является запахом меркаптанов – специальных ароматизирующих веществ). Он высококалориен и при сжигании оставляет после себя только углекислый газ и водяной пар. И его очень много в России – то есть по разведанным запасам мы впереди планеты всей. По данным Международного газового союза в мире имеется 118 триллионов кубометров доказанных запасов газа, в России доказанные запасы – от 48 до 64 триллионов кубометров (в этом вопросе источники разнятся, хотя с каждым годом количество доказанных запасов растет). Поскольку триллион кубометров газа примерно эквивалентен миллиарду тонн нефти, то можно утверждать, что доказанные запасы газа в нашей стране значительно превышают разведанные запасы нефти.

Газ хорош как топливо именно для городских электростанций, потому что в городах очень неравномерный график потребления, имеются утренние и вечерние «пики», а электростанции с газовыми турбинами отличаются высокой маневренностью, допуская суточное снижение нагрузки до 50 % в отличие от 30 % у угольных и 10 % у атомных станций.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что Россия еще в рамках Советского Союза начала тотальную газификацию. Столь развитого потребления газа, как в странах СНГ, нет больше нигде в мире. 68 % отопления в нашей холодной стане обеспечивается газом. Газовыми баллонами постоянно пользуются 18 миллионов человек. Энергетика давно и успешно осваивает этот вид топлива – еще в 1990 году все старые ТЭЦ в Москве были переведены на газ, а в настоящее время в черте столицы и на ее окраинах вырастают, словно грибы после дождя, малые электростанции с газотурбинными установками, в том числе созданными на основе авиационных двигателей.

* * *

Казалось бы, перспективы самые радужные. Дешевое и экологически чистое топливо, которое вполне может заменить мазут и уран на электростанциях и бензин в автомобилях, – качай и пользуйся, получай удовольствие. Почему же энергетики постоянно говорят о том, что «газовая пауза» слишком и даже опасно затянулась (а в 1970-е считалось, что она продлится не более 10–15 лет), а правительство призывает бизнесменов активнее инвестировать в проекты, связанные с каменноугольной энергетикой, которая грязна и малоэффективна?

Выясняется, что не всё так просто. Прежде всего наша газовая «мощь» завязана на крупные месторождения (Ямбург, Уренгой, Медвежье), сосредоточенных в Надым-Пур-Тазовском районе, которые дают 92 % всей добычи. Все эти месторождения находятся довольно далеко от мест потребления – газ поставляется по трем транспортным «коридорам» длиной свыше 3,5 тысяч километров. Эти коридоры представляют собой довольно сложные системы, состоящие из трубопроводов, газоперекачивающих станций и хранилищ. Серьезная авария (или теракт) на любом из них могут привести к срыву поставок и энергетическому коллапсу в европейской части России. Создание же новых «коридоров», как и освоение новых крупных месторождений – довольно сложное и затратное дело. При этом потребность в газе растет: развитые государства оценили прелести газификации и готовы платить за него всё больше. Согласно оценке Международного газового союза, мировое потребление газа к 2030 году вырастет на 70-130 %. При этом основной прирост потребления придется на США и страны Азии, прирост в Европе ожидается более скромный – около 2 % в год, однако Европа и так уже давно подсела на «газовую иглу», и в абсолютных величинах это довольно весомые цифры. Таким образом, газ становится дефицитом, что не может не сказаться на его цене. И вот тут возникает серьезная проблема. К примеру, с громкого скандала началась эксплуатация прошедшего глубокую модернизацию второго блока Северо-Западной ТЭЦ, что под Санкт-Петербургом: ленточку торжественно перерезали, а газа для блока не нашли. По данным экспертов, как минимум девять новых энергоблоков, которые будут введены в эксплуатацию в ближайшее время, могут столкнуться с нехваткой топлива. Разумеется, газ можно купить не только у «Газпрома», но только «Газпром» торгует им по фиксированным заниженным ценам.

Фиксированные цены на газ внутри страны, которые в разы меньше мировых, были установлены волюнтаристским решением правительства еще в 1990-е годы. Считалось, что резкое подорожание газа и, соответственно, электроэнергии вызовет социальный взрыв. Взрыва избежали, но заложили мину замедленного действия под здание энергетики, а вместе с ней и экономики России.

Дело в том, что из-за искусственного антирыночного сдерживания цен на газ он был и остается наиболее дешевым видом топлива в нашей стране. Например, в 1999 году 1 тонна условного топлива (тут) стоила в виде газа – 263 рубля, в виде угля – 336 рублей, в виде мазута – 424 рубля. По другим данным, в среднем по стране цена на газ в 4–5 раз ниже цены на мазут и даже в угольных регионах уголь стоит в 1,5–2 раза дороже, чем «голубое топливо». Как бы то ни было, сжигать природный газ даже в угольных регионах и дешевле, и эффективнее в экологическом плане, нежели другие виды топлива. Пользуясь дешевизной газа, энергетики, вместо того чтобы использовать «газовую паузу» для создания новых технологий, форсируют использование газа как топлива. Это чрезмерное потребление в последние годы не компенсируется приростом запасов за счет новой разведки, освоения новых месторождений. Балансовые запасы газа сокращаются, ведь имеющиеся месторождения не бездонны, и сохранение газовой ориентации грозит тем, что однажды большая часть российских ТЭС останется без топлива.

Казалось бы, разведкой и разработкой новых месторождений должен заниматься «Газпром», но как раз у него и нет свободных денег на проведение столь затратных мероприятий. Раньше считалось, что эти деньги корпорация заработает на внешнем рынке, но быстро выяснилось, что львиную долю прибыли забирает обслуживание транспортных коридоров и строительство новых («Северный» и «Южный» потоки). Так, в структуре суммарных издержек на добычу и доставку российского газа от месторождения до границы с Германией на собственно добычу приходится лишь 22 %, плату за транзит странам и территориям, по которым проходит газопровод, – 19 %, а на расходы по транспортировке – 59 %! При установлении же тарифов на газ внутри России огромные транспортные расходы учитываются не в полной мере, варьируясь по трем экономическим зонам. Если в районе добычи тариф составляет 100 %, то в примыкающей зоне – 105 %, в отдаленных районах – 110 %. Понятно, что столь незначительные различия в тарифах совершенно не соответствуют истинным различиям затрат на транспортировку газа в разные районы страны. Если же в полном объеме учесть расходы на транспортировку газа в Европу, то российский газ окажется настолько дорогим топливом, что его попросту невыгодно будет покупать! Замкнутый круг.

Разумеется, «Газпром» при поддержке государства всё равно собирается осваивать новые крупные месторождения, призванные компенсировать падающую добычу. Но нужно помнить, что эти месторождения расположены в районах с очень суровыми природно-климатическими условиями и полным отсутствием инфраструктуры (Арктический шельф, Ямал, Восточная Сибирь). Их освоение потребует не только огромных инвестиций и внедрения уникальных технологий, но и принципиально другого уровня цен на внутреннем рынке. При этом быстрое повышение объемов добычи газа проблематично из-за большой продолжительности подобных инвестиционных проектов. Поэтому не удивляйтесь, почему наше правительство и сам «Газпром» постоянно ищут за рубежом партнеров для освоения российских месторождений – субсидирование дешевым газом собственной экономики не могло пройти бесследно, в России необходимых средств сегодня просто нет.

Но и это только часть большой проблемы. Огромное количество практически дармового газа, по сути, развратило потребителей. Пропал не только стимул к его своевременной оплате (для борьбы с неплатежами «Газпрому» пришлось даже создавать специальную структуру «Межрегионгаз»), но у них отбили и всякую охоту беречь ресурсы. На большинстве производств эксплуатируются устаревшие энергорасточительные технологии. Так, КПД газовых электростанций с паровыми турбинами в России составляет 38 %, в то время как в мире активно внедряются парогазовые установки с КПД 53–57 %. А расход газа в металлургии и производстве аммиака в России превышает аналогичные зарубежные показатели в 1,6–2,2 раза. Представьте, что будет, если завтра либерализовать в России цены на газ, подняв их до уровня мировых. Энергетики, металлурги и химики окажутся неконкурентоспособны, промышленность просто «ляжет», а за ней – и экономика.

* * *

Тем не менее вводить рыночные цены всё равно необходимо, поскольку только так можно заставить наших промышленников и энергетиков преодолеть «газовую паузу», которая действительно затянулась. Ведь Россия обладает еще одним преимуществом: наши угли – самые качественные в мире по зольности и сернистости (например, станции на канскоачинских углях можно строить даже без систем улавливания азота и серы), что позволит существенно сэкономить на очистке. Правда, пока не все новейшие технологии угольной генерации доведены нашими энергомашиностроителями до уровня массовой промышленной эксплуатации. Эксперты говорят, что по этим технологиям мы на грани отставания с так называемыми «суперсверхкритическими параметрами работы котлов» (максимальная температура сжигания 600 °C, тогда как японцы жгут уже на 700 °C). Понятно, что инвестиции в научно-исследовательскую работу по преодолению отставания найдутся только в том случае, если уголь снова станет основным топливом.

Решение об увеличении внутренних цен на газ до уровня европейских было принято нашим правительством 13 ноября 2006 года. Программа перехода рассчитана на пять лет, а следовательно, уже к началу 2012 года российский потребитель начнет платить за газ по полной.

Эта программа успешно выполняется. Так, уже в 2006 году Минпромэнерго выпустило приказ, разрешающий «Газпрому» реализовывать газ в объеме до пяти миллиардов кубометров в рамках биржевой торговли по свободным ценам. Продавцами могут выступать «Газпром» и независимые производители газа, покупателями – энергетики и промышленные предприятия остальных отраслей, которые уже сейчас испытывают дефицит «голубого топлива». В качестве организации, утвержденной Минпромэнерго для осуществления эксперимента по биржевой торговле газом в формате «5+5», выступает электронная торговая площадка «Межрегионгаз». Первые электронные торги прошли 22 ноября 2006 года. Эксперимент показал, что потребители готовы платить за необходимые им объемы в полтора раза больше, чем по госрасценкам.

Впрочем, и этого недостаточно. Посему была выработана Энергетическая стратегия, включающая и требование перевести на уголь те электростанции, которые сжигали его раньше. Но это не просто возвращение в 1980-е – планируется наладить обогащение угля до сжигания в топках, а также очистку выбросов от загрязнителей. Существует список, включающий 41 электростанцию, которые планируется перевести на уголь в первую очередь. Все они, за исключением Челябинской ТЭЦ-1, находятся в Европейской части России. В списке встречаются и тепловые электростанции, которые и так сжигают уголь наряду с другим топливом (например, Новочеркасская ГРЭС) – для них планируется увеличение доли сжигания угля.

Эффективным становится и ускоренное замещение старых газовых установок новыми. Это обеспечивает экономию газа за счет более высокого КПД и, соответственно, более низкого расхода топлива. К 2011 году закончится ресурс 14 крупных энергоблоков, а к 2015 году выработает срок основная часть существующих крупных паротурбинных установок, поэтому в период 2011–2015 годов замена оборудования может приобрести значительные масштабы.

Однако при всей привлекательности идей, заложенных в Энергостратегию, ее реализация связана со значительным увеличением инвестиций. Кроме того, нужна система правовых, административных и экономических мер, стимулирующих более эффективное использование газа. Ими могут стать, например, предоставление государственных гарантий и прямая финансовая поддержка энергосберегающих проектов, ускоренная амортизация газосберегающего оборудования и тому подобное. Приходит время вводить более жесткое регулирование нормативов использования газа, правил учета и контроля газопотребления, обязательную сертификацию оборудования газомазутных электростанций на соответствие нормативам расхода топлива.

К сожалению, в настоящее время вся активность в этом направлении ограничивается декларациями. Конкретных механизмов реализации Энергостатегии, нормативных и подзаконных актов пока нет. Несмотря на многочисленные громкие заявления, по-прежнему сохраняется неопределенность относительно механизмов и динамики повышения цен на газ. А без этого любые меры по газосбережению останутся невостребованными.

* * *

Казалось бы, в такой ответственный момент, когда энергетика должна приспособиться к новым ценам и провести модернизацию производства, чтобы вернуться на новом технологическом уровне к каменному углю в качестве основного топлива, государство просто обязано удержать все рычаги управления энергетикой при себе. Однако вместо этого нас «обрадовали» завершением реформы РАО ЕЭС (Российское открытое акционерное общество энергетики и электрификации), в рамках которой частным управляющим кампаниям были переданы за очень скромную компенсацию (около 30 миллиардов долларов) порядка 108 миллионов киловатт готовых генерирующих мощностей – в основном тепловых станций. Если вспомнить, что ввод в строй новых мощностей обходится в 1,5–2 тысячи долларов за киловатт, то получится, что российская тепловая энергетика была распродана за сумму, составляющую всего не более одной пятой ее реальной стоимости!..

Ладно, продали и продали. Надеялись, видимо, что «частники» более оборотисты и более заинтересованы в создании высокоэффективных ресурсосберегающих технологий. Но уже сегодня можно говорить, что эти ожидания не оправдываются. Ссылаясь на экономический кризис и отсутствие кредитных ресурсов, энергокомпании начинают свертывать инвестиционные программы, которые им «навязало» государство. Вместо модернизации они только задирают цены, благо недавно прошла очередная девальвация национальной валюты. С января цены на электроэнергию в регионах России выросли на 20–27 %. Для промышленности в 2009 году предел роста цен установлен в 19 %, однако манипуляции энергетиков с розничным ценообразованием привели к тому, что в ряде регионов у предприятий (особенно средних и малых) сумма платежей за электроэнергию выросла в два и более раз, в связи с чем они оказались на пороге банкротства.

Даже президент Дмитрий Медведев был вынужден признать, что с мест поступает информация о саботировании энергокомпаниями инвестиционных обязательств. На первом заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России, которое состоялось 18 июня 2009 года, президент прямо так и сказал:

«С проблемами энергоэффективности в нашей стране пока очень плохо, одна болтовня на эту тему идет, и ничего не происходит. Причем даже кризис, на который все уповали, абсолютно не помог, никто энергоэффективностью не занимается, себестоимость не падает».

С учетом того, что грядет период замены оборудования и глубокой модернизации существующих электростанций с переходом на уголь, ситуация выглядит совсем аховой. Если правительство не решится пойти на жесткие или даже жестокие меры, Россию и вправду может накрыть «конец света» – в самом прямом, а не переносном смысле.

Энергетика будущего

Теперь можно поговорить и о термоядерной энергетике, которую многие считают панацеей от грядущих энергетических проблем.

А проблемы ожидаются действительно серьезные. В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 17,5 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека, что можно легко оценить и представить: потребляемая каждым жителем Земли, включая детей, энергия соответствует круглосуточной работе двадцати четырех 100-ваттных электрических ламп. Согласно прогнозу Международного агентства по энергетике, мировое потребление энергии к 2030 году увеличится еще на 50 %. При этом основной рост энергопотребления придется на развивающиеся страны, где полтора миллиарда человек в настоящий момент испытывает острую нехватку электрической энергии.

Введение новых энергомощностей на основе ископаемых топлив чреват ускорением потребления невосполнимых ресурсов, что приведет к резкому повышению их стоимости (в том числе за счет исчерпания доступных и разработанных месторождений), а также дальнейшему ухудшению экологической обстановки. Освоение же термоядерного синтеза позволит раз и навсегда решить проблему энергообеспечения – человечество получит дешевый и практически неисчерпаемый источник энергии.

Появления термояда ждут всю вторую половину XX века. Ожидания эти настолько перегреты, что возникла весьма популярная конспирологическая теория, которая гласит: на самом деле термояд изобрели давно, но нефтяные магнаты скрывают это изобретение от народных масс, чтобы не потерять в одночасье свои сверхприбыли. Как и любая конспирология, подобная теория не выдерживает ни малейшей критики и остается темой для фантастической и детективной прозы. Однако понимание этого не отменяет главный вопрос: когда же мы овладеем термоядерной энергией?

* * *

Самый первый ответ прост: мы уже овладели термоядерной энергией.

Как ни парадоксально звучит, но это правда. Термоядерная реакция (или ядерная реакция синтеза), при которой осуществляется слияние более легких ядер в более тяжелые, была описана физиками еще в 1910-е годы, однако впервые ее наблюдал великий английский физик Эрнст Резерфорд – в 1919 году он столкнул на большой скорости гелий с азотом, получив водород и тяжелый кислород. Спустя пять лет Резерфорд успешно провел синтез сверхтяжелого водорода трития из ядер тяжелого водорода дейтерия.

Примерно в то же самое время астрофизик Артур Эддингтон выдвинул смелую гипотезу, что все звезды горят благодаря протеканию в их недрах термоядерных реакций. В 1937 году американскому ученому Хансу Бете удалось доказать протекание термоядерных реакций на Солнце – следовательно, Эддингтон оказался прав: звезды действительно черпают свою колоссальную энергию из термоядерного синтеза. Именно эта реакция позволяет Солнцу светить миллиарды лет – подсчитано, что если бы оно состояло из угля или бензина, то выгорело бы за ничтожную тысячу лет.

Идея воспроизведения «солнечного костра» на Земле принадлежала японскому физику Токутаро Хагивара, который в 1941 году высказал предположение о возможности возбуждения термоядерной реакции между ядрами водорода с помощью взрывной цепной реакции деления ядер урана – то есть атомный взрыв должен создать условия (сверхвысокие температура и давление) для начала термоядерного синтеза. Чуть позже к такой же идее пришел Энрико Ферми, который участвовал в создании американской атомной бомбы. В 1946 году под руководством Эдварда Теллера в Лос-Аламосской Лаборатории стартовал первый исследовательский проект в сфере термояда.

Термоядерная эра началась 1 ноября 1952 года, когда американские военные взорвали термоядерную бомбу мощностью 1,4 мегатонны на атолле Эниветок в Тихом океане. В СССР аналогичный эксперимент был успешно осуществлен в 1953 году, в Великобритании – в 1957 году, в Китае – в 1967-ом, во Франции – в 1968-ом.

Таким образом, человечество использует термоядерный синтез уже больше полувека, но пока только в разрушительных целях. Почему же никак не получается использовать его более рационально? Ведь научились же делать атомные реакторы на базе управляемого распада?

Проблема в том, что между урановым распадом и водородным синтезом есть принципиальная разница – последний, как мы помним, осуществляется при чрезвычайно высоких (солнечных) температурах. В недрах звезд температура достигает 15 миллионов градусов, оптимальная же температура для проведения термоядерных процессов с точки зрения энергетики – 100 миллионов градусов. Любое вещество при подобной температуре немедленно превратится в плазму.

Физики быстро придумали решение – они предложили удерживать высокотемпературную плазму внутри «магнитной ловушки». Первые варианты магнитных ловушек были рассмотрены еще в 1946 году в Лос-Аламосе. Однако американским ученым показалось тогда, что подобные «сосуды» неизбежно будут «подтекать», и поэтому дальше вычислений дело не пошло.

В Советском Союзе к идее создания промышленного термоядерного реактора отнеслись с куда большим вниманием. Помог случай. Академик Андрей Сахаров писал в своих «Воспоминаниях», что впервые задумался об осуществлении управляемой термоядерной реакции в 1949 году, однако «без каких-либо разумных конкретных идей». Летом 1950 года из секретариата Лаврентия Берии, курировавшему советский атомный проект, на заключение Сахарову было прислано письмо, отправленное в ЦК ВКП(б) младшим сержантом Олегом Лаврентьевым, который служил на Сахалине радиотелеграфистом. Лаврентьев предложил вполне разумную схему водородной бомбы, а также конструкцию термоядерного реактора, в котором изоляция плазмы осуществлялась за счет постоянного электрического поля. Сахаров в своем отзыве весьма лестно отозвался о Лаврентьеве, но подчеркнул, что электростатическая термоизоляция плазмы неосуществима на практике. Тогда же Сахаров понял, что плазму можно удержать магнитным полем, замкнутым внутри тороидальной (в виде бублика) обмотки. Через несколько дней к этой проблеме подключился ведущий физик Игорь Тамм. Вместе они рассчитали конфигурацию магнитных полей, способных сжимать плазму в тонкий шнур и препятствовать ее падению на стенки камеры. Эти вычисления стали основой программы разработки тороидального магнитного термоядерного реактора, утвержденной Советом министров 5 мая 1951 года. Научное руководство этими исследованиями было возложено на члена-корреспондента АН СССР Льва Арцимовича.

Параллельно с советскими учеными американский физик Лайман Спитцер предложил более сложную конструкцию магнитного реактора, который он назвал стелларатором. Первые эксперименты со стеллараторами оказались неудачными, но сегодня с этими системами работают в США, Японии и ФРГ. Примерно тогда же английские и американские физики начали эксперименты с магнитным удержанием газовых разрядов в трубках-бубликах. Позднее были предложены и другие типы магнитных ловушек для плазмы. Однако время показало, что наиболее перспективной является схема Сахарова-Тамма. Именно на ее основе были созданы многочисленные реакторы-токамаки.

Считается, что термин «ТОКАМАК» возник как аббревиатура фразы «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками», однако на самом деле это всего лишь удобная расшифровка уже имевшегося названия.

Основные работы над термоядерными реакторами велись в Институте атомной энергии, который в 1950-е годы «маскировался» под вывеской Лаборатории измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН). Реакторами занималось особое подразделение – Бюро электрических приборов (БЭП), для которого построили отдельный дом рядом со зданием Отдела электроаппаратуры, где под руководством Арцимовича группа физиков занималась электромагнитным разделением радиоактивных изотопов. В феврале 1953 года там состоялся семинар, на котором обсуждали доклад о разработке магнитного термоядерного реактора, подготовленный техническими руководителями проекта Николаем Явлинским и Игорем Головиным. Именно на этом семинаре будущая установка впервые была названа токамаком. Головин тогда сказал, что это просто сокращение от слов «тока максимум». Авторы доклада полагали, что сила тока в тороидальных разрядах намного превысит силу тока в прямолинейных трубках, отсюда и появилось название аппарата. Со временем эта гипотеза была опровергнута, а вот термин «токамак» остался и со временем сделался международным.

Главным элементом конструкции токамака являются катушки, создающие мощное магнитное поле. Эти катушки напоминают гигантские трансформаторы. Рабочая камера токамака заполняется газом, а в катушках возбуждается магнитное поле. В результате пробоя под действием вихревого поля происходит усиленная ионизация газа в камере, отчего тот превращается в плазму. Возникает плазменный шнур, движущийся вдоль тороидальной камеры и разогреваемый продольным электрическим током. Магнитные поля катушек и плазмы удерживают шнур в равновесии и придают ему форму, которая не дает шнуру коснуться стенок и прожечь их.

Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры порядка 10 миллионов градусов, для получения большей температуры используются другие методы. Кроме того, постоянно нагревать плазму током опасно, поскольку он создает собственное магнитное поле, – если оно превысит по силе поле катушек, то скорость движения плазменного шнура сильно увеличится, и он, прорывая теплоизоляцию, коснется стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения в камеру пучков быстрых атомов.

Основные вехи овладения мирным термоядом таковы. В 1954 году сотрудники БЭП приступили к испытаниям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала прообразом будущих токамаков. В конце 1960-х на советском токамаке Т-3А была получена плазма с температурой электронов в 20 миллионов градусов, а ионов – в 4 миллиона и впервые зарегистрировано устойчивое термоядерное излучение плазменного шнура. Через 10 лет принстонский токамак RLT нагрел ионы в плазме примерно до 80 миллионов градусов. В 1995 году на другом американском токамаке TFTR температура ионов была доведена до 510 миллионов градусов; позднее этот рекорд превзошел японский токамак JT-10, который разогрел ионы до 520 миллионов градусов.

Однако разогрев до солнечных температур – это самое начало пути. Токамак не является энергетической установкой – наоборот, он жрет энергию, ничего не давая взамен. Термоядерная электростанция должна строиться на иных принципах.

Прежде всего физики определились с топливом для термояда. Хотя принято писать о термоядерной энергетике как о «солнечной», эта метафора не вполне уместна. Основой внутрисолнечного термоядерного синтеза является так называемый водородный цикл, в ходе которого четыре протона превращаются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Этот цикл включает в себя несколько ядерных реакций, скорости которых зависят от температуры и плотности солнечных недр. Первая из них – превращение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем требует примерно 14 миллиардов лет (что сопоставимо с возрастом нашей Вселенной). Конечно же, некоторым протонам удается встретиться и объединиться и за меньшее время – ведь будь иначе, термоядерная печь в центре газопылевой туманности, которая 4,5 миллиарда лет назад дала начало нашему Солнцу, не зажглась бы и до сих пор. Однако из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мала. Звучит парадоксально, но один грамм солнечной материи выделяет меньше тепла, чем грамм человеческого тела! Исполинская мощность излучения Солнца объясняется его гигантской массой, но в качестве источника энергии для электростанций водородный цикл явно не подходит.