Физика будущего - Мичио Каку

Американское научное сообщество, все еще лихорадочно работавшее над созданием водородной бомбы и мечтавшее успеть раньше русских, объявило заявление Перона чепухой. Ученый-атомщик Ральф Лэпп (Ralph Lapp) сказал тогда: «Я знаю, какой еще материал используют аргентинцы. Это чушь».

Другого ученого-атомщика, Дэвида Лилиенталя (David Lilienthal), спросили, существует ли хоть «самый крохотный шанс» на то, что аргентинцы могут оказаться правы. Он ответил: «Меньше, чем вы сказали».

Под таким давлением Перон уперся и стоял на своем; он намекал, что сверхдержавы просто завидуют Аргентине, которая сумела всех обойти. Момент истины наступил год спустя, когда представители Перона побывали в лаборатории Рихтера. Вообще, когда со всех сторон посыпались обвинения и вопросы, Рихтер повел себя странно; чем дальше, тем нелепее и беспорядочнее становились его поступки. Перед прибытием инспекторов он подорвал дверь своей лаборатории при помощи кислородных баллонов и написал на листе бумаги слова «атомная энергия». Он заказал порох и собирался поместить его в реактор. Создавалось впечатление, что ученый сошел с ума. Когда инспекторы поместили рядом со «счетчиками излучения» Рихтера кусочек радия, ничего не произошло; очевидно, его оборудование было просто подделкой. Позже Рихтер был арестован.

Но самый знаменитый случай связан с именами Стэнли Понса (Stanley Pons) и Мартина Флейшманна (Martin Fleischmann), двух известных и уважаемых химиков из Университета Юты, которые в 1989 г. объявили об открытии так называемого «холодного синтеза», т. е. реакции ядерного синтеза, протекающей при комнатной температуре. Ученые утверждали, что поместили в воду металлический палладий, который затем каким-то волшебным образом сжал атомы водорода до такой степени, что они слились и образовали гелий. Энергия солнца высвободилась практически на лабораторном столе.

Сообщение вызвало настоящий шок. Едва ли не все газеты мира поместили это открытие на первую полосу. Журналисты заговорили о конце энергетического кризиса и начале новой эры, эры неограниченной энергии. Штат Юта немедленно провел закон и выделил 5 млн долларов на создание Национального института холодного синтеза. Даже японские автопроизводители поспешили пожертвовать миллионы долларов на исследования в этой новой, но невероятно перспективной области. Вокруг холодного синтеза начали собираться последователи, мгновенно уверовавшие в него; образовалось даже что-то вроде секты.

В отличие от Рихтера, Понс и Флейшманн пользовались уважением в ученой среде и рады были поделиться своими результатами. Они предъявили оборудование и полученные данные, чтобы все желающие могли увидеть их воочию и убедиться.

Но затем ситуация осложнилась. Ученые пользовались настолько простым оборудованием, что повторить их опыт могла любая лаборатория мира. Естественно, желающих своими глазами увидеть поразительный результат хватало. Увы, большинству групп не удалось зарегистрировать какого бы то ни было выделения дополнительной энергии, и холодный синтез был объявлен тупиковым направлением. Однако забыть об этой истории тоже не удавалось, поскольку время от времени появлялись новые сообщения о том, что какие-то группы повторили эксперимент успешно.

Наконец вмешалось физическое сообщество. Физики проанализировали уравнения Понса и Флейшманна и сделали вывод, что они некорректны. Во-первых, если утверждения ученых верны и в ходе эксперимента действительно происходило то, о чем идет речь, из сосуда с водой, в котором происходил синтез, должен был вылететь обжигающий поток нейтронов. (В типичной реакции синтеза два ядра водорода сливаются в ядро гелия, выделяя при этом энергию и нейтрон.) Сам факт, что ученые остались живы, означал, что никакого ядерного синтеза в эксперименте не было; если бы он происходил, они должны были умереть от радиационных ожогов. Во-вторых, скорее всего, Понс и Флейшманн столкнулись с какой-то химической, а не термоядерной реакцией. И наконец, заключили физики, металлический палладий не в состоянии сблизить атомы водорода в достаточной степени, чтобы вызвать слияние. Это означало бы нарушение квантовой теории.

Несмотря ни на что, споры о холодном синтезе продолжаются по сей день. Время от времени появляются новые сообщения о том, что кому-то удалось получить холодный синтез. Проблема в том, что никому не удается воспроизвести такой результат надежно и по первому требованию. В конце концов, какой смысл делать автомобильный двигатель, если он будет работать от случая к случаю? Наука основывается на воспроизводимых, проверяемых и опровержимых результатах, которые можно получить в любой момент.

Горячий синтез

Надо сказать, что преимущества термоядерной энергии настолько велики, что загадка термоядерного синтеза влечет к себе ученых, как песня сирен влекла древних мореплавателей.

Так, загрязнение окружающей среды от синтеза минимально. Это относительно чистый способ получения энергии, с помощью которого природа обеспечивает энергией нашу Вселенную. Один из побочных продуктов реакции — гелий, который ко всему прочему пользуется спросом и имеет коммерческую стоимость. Другой — радиоактивная сталь камеры реактора, которую со временем надо будет захоранивать, потому что в течение нескольких десятков лет она будет представлять некоторую опасность. Но по сравнению с обычным урановым атомным энергоблоком (который каждый год производит по 30 т высокоактивных отходов, опасных на протяжении тысяч, а то и десятков миллионов лет) количество «мусора» здесь несущественно.

Кроме того, на термоядерной станции не может произойти такой катастрофы, как расплавление активной зоны. Урановые станции — именно потому, что в активной зоне у них находятся тонны высокоактивных отходов, — продолжают и после выключения реактора производить значительное количество тепла. Именно это остаточное тепловыделение может со временем расплавить и топливные стержни, и стальной корпус и привести к попаданию расплавленного топлива в грунтовые воды, взрыву и катастрофе, так красочно показанной в фильме «Китайский синдром».

Термоядерные станции по определению намного безопаснее. К примеру, если выключить магнитное поле такого реактора, горячая плазма соприкоснется со стенками камеры реактора, и процесс ядерного синтеза мгновенно прекратится. В термоядерном реакторе не может возникнуть неуправляемая цепная реакция; в случае сколько-нибудь серьезного происшествия он просто выключится.

«Даже если термоядерная электростанция будет стерта с лица земли, уровень радиации в километре от периметра окажется настолько низким, что эвакуация вообще не потребуется», — говорит Фаррох Наджмабади, руководитель Центра энергетических исследований Университета Калифорнии в Сан-Диего.

Несмотря на чудесные достоинства термоядерной энергетики, не стоит забывать об одной маленькой подробности: ее не существует на свете. Никому пока не удалось построить действующий термоядерный реактор.

Однако физики высказывают осторожный оптимизм. «Всего десять лет назад некоторые ученые сомневались в том, что можно получить управляемый термоядерный синтез хотя бы в лаборатории. Теперь мы точно знаем: синтез возможен. Вопрос в том, окажется ли он экономически выгодным», — говорит сотрудник General Atomics Дэвид Болдуин (David Е. Baldwin), курирующий один из крупнейших термоядерных реакторов в США, реактор DIII-D.

Лазерный термоядерный синтез

В ближайшие несколько лет ситуация в этой области может сильно измениться.

В последнее время ученые вели исследования одновременно по нескольким направлениям, и спустя несколько десятков лет сплошных неудач наконец настал радостный момент. Физики убеждены, что термояд вот-вот будет покорен. Во Франции с участием многих европейских стран, России, США и Японии строится Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER). В США тоже имеется экспериментальный реактор — National Ignition Facility (NIF).

Мне выпала возможность увидеть аппарат лазерного синтеза NIF собственными глазами, и это грандиозное зрелище. Поскольку термоядерный синтез состоит в близком родстве с водородной бомбой, реактор NIF базируется в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, где военные разрабатывают водородные боеголовки. Чтобы попасть туда, мне пришлось пройти через многоуровневую систему охраны.

Сам реактор, когда я наконец до него добрался, произвел на меня потрясающее впечатление. Я привык видеть лазеры в университетских лабораториях (более того, непосредственно под моим кабинетом в Городском университете Нью-Йорка располагается одна из крупнейших лазерных лабораторий в штате Нью-Йорк), но NIF меня ошеломил. Сам реактор занимает десятиэтажное здание размером с три футбольных поля, где 192 гигантских лазера направляют свои лучи в длинный туннель. Это крупнейшая лазерная система в мире, по мощности она превосходит предыдущую в 60 раз.