Большие игрушки для большой науки
О теоретических прорывах и промышленных ограничениях ядерной физики — интервью с проректором МИФИ Андреем Кузнецовым
Новый, 2026 год начался с научного прорыва в области управляемого термоядерного синтеза. Китайским ученым на экспериментальной мегасайенс-установке впервые удалось преодолеть предел Гринвальда (рассчитанную в теории максимальную плотность плазмы, достижимую в реакторе токамак), тем самым приблизив человечество к освоению нового мощного источника энергии. Об успехе также заявили физики из подмосковной Дубны: 11 января на коллайдере NICA была получена устойчивая циркуляция пучка ядер ксенона, что, согласно планам, позволит в ближайшие месяцы провести первое искусственное столкновение встречных пучков тяжелых ионов для воспроизведения экстремального состояния вещества, которое возникло во Вселенной после Большого взрыва, и лучше понять процессы внутри атомных ядер. А еще нам обещают взорвать вакуум, «примирить» гравитацию с квантовым миром, найти темные фотоны и даже новые измерения пространства-времени. Для решения этих сверхзадач ученые используют «большие игрушки» — установки мегасайенс.
О том, как современная наука меняет наше представление о мироздании и как в недрах «адских машин» рождаются идеи для создания новых технологий, мы поговорили с физиком-ядерщиком, проректором по научной и инновационной политике НИЯУ МИФИ Андреем Кузнецовым.
— Андрей Петрович, для чего все-таки нужны эти гигантские исследовательские установки, которые строят годами и даже десятилетиями за очень большие по меркам научных бюджетов деньги?
— Дело в том, что все простые формулы в физике уже давно закончились, а все сложные формулы требуют дорогих исследовательских установок. В кабинете Николая Николаевича Калачевского, нынешнего директора ФИАНа, стоят сделанные вручную стеклянные колбочки с вращающимися лопатками. Основатель русской физической школы Петр Николаевич Лебедев в начале двадцатого века с помощью этих приборов изучал давление света. Через почти полвека, с появлением ядерной физики, стало понятно, что таких простых приспособлений недостаточно. Потребовались много более сложные, чем «пробирки», устройства — например, для изучения элементарных частиц необходима энергия, чтобы сталкивать их друг с другом. Потребовались мощные электрические и магнитные поля, ускоряющие заряженные частицы и управляющие их траекториями. Таким образом мы пришли к ускорителям, циклотронам, синхротронам, бетатронам. Основной вклад в это направление сделали атомные проекты Германии, США, Советского Союза. Возник негласный договор между учеными и государством, вернее между государством и небольшой группой ученых, которые лоббировали фундаментальные исследования.
На этом фоне, когда наука работала для промышленности, технологий и безопасности страны, было выделено направление, связанное с фундаментальной наукой, которая занимается объяснением мироустройства. Яркий представитель — это БАК, Большой адронный коллайдер. И оказалось, что государствам, как ни странно, выгодно вкладывать большие деньги в такие, казалось, не имеющие практического применения и никому не нужные научные проекты, потому что ко второй половине двадцатого века стало понятно, что мерой интеллектуального величия страны является именно фундаментальная наука.
— Мощна я прибавка к политическому «вес у» государств.
— И кстати, относительно недорогая. На стыке тысячелетий возникли международные коллаборации и мегасайенспроекты. Сам же термин «мегасайенс» появился уже в начале двадцать первого века. Выяснилось, что по сравнению с одной из самых дорогих установок для науки (церновский БАК стоил, по разным оценкам, до 10 миллиардов долларов) один авианосец США стоит больше — 15 млрд долларов. Олимпиада в Сочи — более 40 миллиардов долларов, чемпионат мира по футболу в Катаре — 120 миллиардов.
Эти двадцать лет прошли под знаком адронного коллайдера, поисков бозона Хиггса и пиар-хайпа о риске возникновения черных дыр, которые погубят планету и цивилизацию. Эту страшилку на полном серьезе продавали людям начала двадцать первого века.
— Ажиотаж по поводу бозона Хиггса тем не менее остыл. Что дальше?
— Многие уважаемые ученые говорят, что открытие бозона Хиггса — одно из последних событий в научном мире в физике элементарных частиц, потому что дальше лежит пустыня. Чтобы получить новые сведения из ускорителей, нужно строить коллайдер с размером кольца больше 100 километров. По-видимому, ЦЕРН такой мегасайенс-проект уже не построит, но скорее всего, его построят китайцы. Но позже — у них сейчас другие приоритеты.
— Действительно, Китай приостановил реализацию амбициозного проекта по созданию крупнейшего в мире стокилометрового Кругового электрон-позитронного коллайдера (CEPC). Обещает вернуться к этому вопросу в 2030 году, то есть это направление выпало из списка первоочередных. Почему это произошло?
— Спешить некуда, никуда он от них не убежит. Тем более что дальше снова возникнет пустота — потребуется строить ускоритель с диаметром кольца, равным диаметру Земли. Ускорительная физика элементарных частиц, по-видимому, подошла к некоему порогу возможностей в текущем технологическом укладе.
Святой Грааль энергетики
— Кажется, что на решение более понятных, земных вопросов нацелен ИТЭР, Международный экспериментальный термоядерный реактор, проект которого был предложен академиком Евгением Павловичем Велиховым еще в середине 1980-х годов…
— Да, это новый формат мегасайенс-установок, но уже нацеленных не на добычу фундаментальных знаний о том, почему у частиц есть масса или что случилось в первые мгновения жизни Вселенной. Он связан непосредственно с получением энергии с помощью управляемого термоядерного синтеза (когда в результате столкновения ядер дейтерия и трития образуется ядро гелия и быстрый нейтрон и высвобождается энергия на порядок больше той, что затрачена на разогрев плазмы. — «Монокль»), это практически неисчерпаемый источник энергии. Строительство этого экспериментального термоядерного реактора типа токамак решает практическую задачу получения энергии термоядерного синтеза в промышленных масштабах. Кстати, термин «токамак» родился в Советском Союзе в середине 1950-х годов и сейчас Россия — один из лидеров в этом направлении. ИТЭР открыл новую эру мегасайенс-машин для технологических задач будущего. Первое и самое главное, что он показал, — это принципиальная возможность построить мегасайенс-проект международным сообществом. Ведь его особенность в том, что он создается в условиях, когда нет действующих технологий, не проверены даже многие инженерные первопринципы.
Все приходится делать одновременно: проводить исследования и очень быстро переводить их в конструкторские разработки, потом в «железо», а затем уже само строительство. То есть это очень сложная организационная задача, когда к тому же никто не знает, что из всего этого получится. Адронный коллайдер по сравнению с этим довольно простой пазл для инженера-физика: ускорители — многократно проверенная технология без особых сюрпризов.
Первая особенность токамака в том, что эффективность зажигания пропорциональна масштабу, а увеличивая масштаб, вы обнаруживаете новые проблемы, которых на малом масштабе не существует. Меняется все — температура, время удержания, конструкция и так далее. Внутри вакуумной камеры токамака температура плазмы должна быть более 100 миллионов градусов, а магнитные катушки из сверхпроводников, удерживающие плазму, охлаждаются жидким гелием до температуры минус 269 градусов Цельсия. Колоссальный инженерный вызов.
Одна из ключевых и пока еще не решенных проблем — нагрузка на первую стенку в термоядерных реакторах типа токамак. Первая стенка обращена к плазме и служит для защиты внутренней оболочки от воздействия потоков тепла и высокоэнергетических частиц. Идет поиск наиболее эффективного решения — предлагается использовать в том числе жидкометаллическую стенку из лития и много чего еще…
Кстати, изначально было решено, что все технологии, полученные в рамках этой работы, безвозмездно, то есть даром, достаются всем участникам этого проекта. Сейчас это десять ведущих стран планеты, включая Россию.