Удастся ли получить термоядерную энергию и почему это очень важно, как создавались первые в нашей стране термоядерные установки и какие сегодня перспективы у такого рода исследований, рассказывает академик РАН Валентин Пантелеймонович Смирнов, главный научный сотрудник Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), научный руководитель по ядерной и высокотехнологичной медицине организации «Наука и инновации» ГК «Росатом», главный редактор журнала «Физика плазмы».

— Вас называют «главным специалистом в стране по термояду». Это так?

Я бы себя так не назвал. Потому что у нас самый главный по термояду — Е.П. Велихов. Когда-то я был его первым помощником в этом деле. Сегодня в связи со многими изменениями главный помощник Евгения Павловича в термоядерных исследованиях — В.И. Ильгисонис, который был директором НИЦ «Курчатовский институт». Потом он перешел в «Росатом», где возглавляет направление научно-технических исследований и разработок, в частности по термояду. И я очень рад, на этих выборах мы его избрали членом-корреспондентом. Это замечательный, глубокий ученый. Нам всем повезло, что приходит следующее поколение высокого уровня.

— Валентин Пантелеймонович, в этом году исполняется 70 лет ГНЦ РФ ТРИНИТИ, с которым связана практически вся ваша жизнь. Когда вы сюда пришли, все здесь только разворачивалось. Вы участвовали в создании установки «Ангара 5-1», на фоне которой мы сейчас разговариваем. Расскажите, пожалуйста, для чего создавался этот институт, какие цели и задачи перед ним ставились?

— Институт на самом деле возник еще раньше. Здесь была создана магнитная лаборатория, задача которой состояла в проведении исследований, связанных с размагничиванием военных кораблей. За работой этой лаборатории наблюдал будущий директор Института атомной энергии им. И.В. Курчатова и президент Академии наук СССР А.П. Александров. А потом эта лаборатория трансформировалась в филиал Курчатовского института. Этот филиал возглавлял академик М.Д. Миллионщиков, к которому пришел работать Е.П. Велихов. Это ученый мирового уровня с очень широким диапазоном интересов. Но главная его активность состояла в развитии термоядерных исследований в нашей стране.

Первые работы института были связаны с низкотемпературной плазмой. Были выполнены замечательные исследования по лазерной физике, по созданию мощных газоразрядных лазеров. Эта работа продолжается до сих пор.

Поскольку было необходимо создать площадку для крупномасштабных плазменных работ в области термоядерных исследований, здесь было решено создать два крупных комплекса. Один — «Ангара-5-1», а другой — токамак с сильным полем (ТСП). Комплекс ТСП еще больше, он просто громаден, занимает целое здание в семь этажей. К нему примыкают четыре здания с ударными генераторами с общим энергозапасом в 4 ГДж. Строительство таких огромных комплексов, таких термоядерных устройств было начато в 1978 г. В настоящее время этот институт, переживший переименование из Филиала Института атомной энергии им. И.В. Курчатова в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, стал уникальным центром термоядерных исследований не только в России, но и в мире.

— Правильно ли я понимаю, что до этого работ по термояду в стране практически не было?

 — Это не так. Исследования по управляемому термоядерному синтезу первоначально начались в середине 50-х гг. прошлого столетия в Курчатовском институте, вскоре продолжились в ряде других наших институтов. У нас же первый термоядерный проект был запущен в начале 1970-х гг. Сюда переехал сотрудник Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР Р.Х. Куртмуллаев, и у него была очень интересная идея магнитной ловушки. Она была пионерской, лучшей по тем временам, но не смогла стать кардинальным решением термоядерных проблем. Самое интересное, что в настоящее время эта часть работы остановлена, а в США с использованием той физики, которая здесь была наработана, строится термоядерная установка, в которой обещают получать энергию синтеза в безнейтронном цикле. Это реакция «протон — бор-11».

— Но вернемся в 1978 г., когда все начиналось. Это была трудная работа?

— Да, это была большая, трудная и очень важная работа. Надо сказать, что одновременно с большим токамаком, который здесь строился, был привезен из Курчатовского института небольшой токамак. И на этом токамаке начались и идут по сей день очень важные исследования и по физике, и по технологиям.

В термояде существуют два направления. Одно из них, называемое магнитным удержанием, связано с созданием реактора, в котором в плазме, удерживаемой магнитным полем, постоянно выделяется энергия синтеза, как в непрерывно работающей топке.  

А второе направление — так называемое инерционное удержание, которое предполагает организацию повторяемых взрывов небольшой порции смеси дейтерия и трития и высвобождение энергии. И если вы делаете такие последовательные взрывы, то это подобно двигателю внутреннего сгорания.

Сегодня, спустя очень большое время, по мере развития работ по термоядерной энергетике абсолютное первенство принадлежит системам с магнитным удержанием. В первую очередь это токамаки, изобретенные в Курчатовском институте. Другие магнитные ловушки бесконечно отстали.

Системы с инерционным удержанием, может быть, в будущем найдут применение в энергетических реакторах. Но на основе сегодняшних знаний очевидно: энергия взрыва мишени настолько велика, что ее будет трудно удержать в камере разумных размеров. Кроме того, сами средства, способные инициировать этот взрыв, очень большие. Это прежде всего лазеры, в которых мы преуспели.  

— Знаю, в ГНЦ РФ ТРИНИТИ были созданы такие лазерные установки…

— Да, небольшие установки в области лазерного взаимодействия с мишенями. На них трудилась и трудится замечательная команда, созданная под руководством М.И. Пергамента и Н.Г. Ковальского.

Другое направление в инерционном удержании — использование мощных электрофизических генераторов для инициации взрыва термоядерной мишени. Помимо исследований в интересах идеи импульсно-периодического термоядерного реактора, электрофизические установки могут создавать сверхмощные пучки заряженных частиц — электронов или ионов, токи с величиной в десятки мегаампер. С их помощью изучают физику высоких плотностей энергии. Например, с помощью такого устройства, как «Ангара-5-1», вы можете сжимать вещество до очень больших давлений и температур. И здесь возникают новые процессы физики, которые очень важны для понимания многих явлений в природе. Например, они имеют отношение к астрофизике, к созданию новых веществ.

Другая сторона этих импульсных систем — многочисленные возможности применения в плазменных технологиях, в частности в медицине.

— Трудно представить, что такая массивная установка, как «Ангара-5-1», может применяться для лечения пациентов.

— Совершенно верно. Но, получив некоторые фундаментальные знания, можно создавать машины небольшого размера практического назначения на основе новых принципов и технологий.

— И вы их создаете?

— Да. Такие работы ведутся в «Росатоме» с участием ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Сейчас начинается новый цикл фундаментального исследования в области онкологии. Одновременно мы начинаем прорабатывать прототип медицинской установки, основанной на принципах так называемой флеш-терапии. В этой работе участвуют ведущие онкологи и биофизики страны.

— Почему у вас возникло желание заняться медицинской физикой?

Это вопрос, на который мне трудно отвечать.

— Вижу, что у вас были очень личные причины включиться борьбу с раком.

— Да, это правда. Кроме того, я понимаю, что нашим медикам нужно предоставить хорошие отечественные аппараты, каких у нас никогда не было. Это такое романтическое желание что-то сделать в этом направлении.

— Правда ли, что поначалу никто не верил в вашу «Ангару»?

— Использование электронных пучков, с которыми мы работали для нагрева термоядерных мишеней, привело к тому, что наши американские коллеги решили построить очень большую машину. Эта машина вызвала определенное волнение в нашей стране, и меня попросили дать наше собственное предложение. Это предложение было дано — был разработан проект «Ангара». Интересно, что он был создан на других принципах, нежели те, что были заложены американцами. Когда мы это опубликовали, американцы изменили свои принципы и взяли на вооружение наш подход. Но вы правы, у нас мало кто верил в успех этого проекта.

То есть ваши принципы оказались лучше?

— Сейчас в установках такого масштаба в США, Европе и Китае используют эту схему, внеся в нее и свои элементы, удешевляющие конструкцию. Мы их понимали с самого начала, но не сумели преодолеть в то время консерватизм конструкторов и промышленности. Ну а неверующие по-своему были правы. «Ангара-5-1» превосходила тогда достигнутый уровень по энергетике в сотни раз, что нарушало представления о последовательности развития физической техники. Были и не испытанные в полной мере новые физические решения. Считалось, что установка не заработает. Действительно, с нашей стороны выглядело авантюристично. Но я и еще некоторые другие верили в заложенные решения. Мне прямо говорили, что машина никогда не будет работать. Благодарен нашему научному и административному руководству того времени, согласовавшему начало работы. Сейчас нас призывают превосходить мировой уровень. Не исключено, хотя и время другое.

А она до сих пор работает?

— Да. Она заработала и дала результаты мирового уровня. Установки, о которых мы говорим и которые видим сейчас, помимо исследовательских, фундаментальных и прикладных направлений имеют еще одно направление, именуемое «спецтематикой». Это не оружие, но это работы ради знаний в оборонной физике, поэтому они поддерживались. Именно поэтому наш институт оказался закрытым и я перестал ездить за рубеж на конференции.

А потом, уже в конце 1980-х гг., когда Советский Союз распался, нам разрешили опубликовать результаты и выступать с докладами. Оказалось, что наши результаты по выходному продукту в сотни раз лучше, чем американские. Как всегда в таких случаях, требуется примерно два года, чтобы нас услышали. Поначалу был определенный уровень недоверия, но потом решили проверить результаты в совместном эксперименте на «Ангаре-5-1».

В 1993 г. здесь был проведен первый крупный российско-американский эксперимент. Сначала в 1992 г. нас посетила делегация физиков во главе с руководителем из Департамента энергетики США. Они просили приехать в следующем году со своей диагностикой и проверить наши результаты. Министерство разрешило нам провести совместный эксперимент. Оказалось, что результаты, которые они получили, даже лучше, чем то, что намерили мы.

Но в основном все совпало. Повторилась ситуация, которую мы имели в конце 1960-х гг. в термояде, когда на токамаках у нас в Курчатовском институте получались параметры плазмы, которые ни американцы, ни другие не могли воспроизвести в своих магнитных ловушках. Академик Л.А. Арцимович, руководитель программы УТС того времени, пригласил английских физиков приехать в Курчатовский институт с новой диагностикой и сопоставить измеренные параметры с нашими измерениями. Все подтвердилось, и даже больше.

После этого практически все лаборатории мира, связанные с работами по магнитному удержанию плазмы, стали делать токамаки. Сейчас с нашим участием строится первый экспериментальный реактор ITER, в котором мощность термоядерной реакции должна в 10 раз превзойти мощность, затрачиваемую на поддержание реакции. ITER — это тоже токамак.  

Работы по физике высоких плотностей энергии продолжаются, лидером этого направления у нас был В.Е. Фортов, с которым мы здесь тоже работали. Сегодня мы переживаем новый этап в области термоядерных исследований благодаря новой федеральной программе.

— В чем это выражается?

— Этот виток связан с тем, что за прошедшие десятилетия много что стало понятно в физике плазмы. Она очень сложна.

Сейчас Международное сообщество термоядерщиков последовательно движется к созданию ITER. Я долгое время был членом-представителем России в техническом совете ITER. Существуют проблемы создания такого реактора. Одна из важнейших — взаимодействие плазмы со стенкой, то есть эрозия стенки. Было предложено несколько способов ее защиты. Кстати, самые активные исследования этой проблемы проводятся здесь на токамаке Т-11М под руководством С.В. Мирнова.

Энергетический термоядерный реактор предполагает, что мощность, выделяемая в процессе интенсивной термоядерной реакции, должна превосходить затрачиваемую на поддержание плазмы не менее чем в десять раз. И тогда на стенку камеры идет очень высокий поток частиц, который ее разрушает. Проблема первой стенки — одна из важнейших для энергетического реактора. Если вы снизите требования к интенсивности реакции, то эти потоки уменьшаются и проблема защиты стенки перестает быть такой острой.

Но возникает вопрос: а где мы можем применять эти нейтроны? Оказывается, мы можем их использовать в целях создания топлива для обычных атомных реакторов. Это так называемые гибридные системы «синтез — деление», и они сейчас здесь очень активно обсуждаются и развиваются. Практическая реализация таких систем важна. В ГНЦ РФ ТРИНИТИ будет построена очень большая установка — токамак реакторных технологий, на котором можно проверить важнейшие технологии такого гибридного реактора. В этом смысле ГНЦ РФ ТРИНИТИ — очень значимый компонент термоядерных исследований в России.

— Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Но чего сейчас здесь удалось достичь? Каков сегодня мировой рекорд ее удержания, где он достигнут?

— Для того чтобы создавать длительное время удержания в самой плазме, нужно иметь магнитные поля, генерируемые током, текущим в катушках из сверхпроводника. Первый токамак со сверхпроводящими магнитными системами был построен в Курчатовском институте. Потом, в силу ряда обстоятельств, эта система не получила развития. Точнее, она получала развитие в токамаке Т-15, который создавался в Курчатовском институте, но из-за слома Советского Союза дело не было доведено до конца.

На Западе и Востоке довели. Надо понимать, что, помимо времени удержания, еще есть требования на плотность, температуру, и вообще для того, чтобы термоядерный реактор работал, необходимо, чтобы тройное произведение — время удержания, плотность и температура — было выше некоторой величины. На европейском токамаке JET произведенная термоядерная энергия достигла 59 МДж. Длительность удержания разряда в высокотемпературной плазме на китайском токамаке — более 100 с. Требуемые температуры также достигнуты. Реализовать их одновременно в одной установке предполагается в ITER.

— И этого состояния удается достичь?

— Да. Сегодня здесь лидеры китайцы. У них разряд в высокотемпературной плазме держится больше сотни секунд. В ITER будет два режима. Один — режим удержания в течение пяти часов, другой, более короткий — в течение нескольких десятков секунд.

— Как долго нужно удерживать плазму, чтобы вы могли сказать: «Все, термоядерный реактор работает»?

Вообще желательно, чтобы реактор работал постоянно. Если мы говорим о системах с магнитным удержанием, а только о них мы и должны говорить, все-таки их придется периодически перезаряжать. То есть система работает несколько часов, потом она останавливается, прочищается за час и потом опять работает. В этом смысле коэффициент использования мощности будет высоким.

Мы все живем благодаря термоядерной энергетике — не только в смысле зарплаты, а в смысле создания практически не ограниченного топливными ресурсами энергетического источника. Термоядерная реакция — такой источник энергии. Человечество жаждет овладеть такой энергией. В конечном счете человечеству нужно практическое применение. И первое такое применение будет на гибридных системах. Можно получать топливо, облучая уран и превращая его в изотоп, используемый в атомных реакторах. Можно также облучать торий, которого больше на Земле, чем урана, и из него тоже нарабатывать топливо. Это одно направление.

А второе направление, может быть, не менее важное, связано вот с чем. Радиоактивные отходы получаются даже при энергетике, основанной на быстрых реакторах. Их нужно убирать, организуя так называемую трансмутацию — перевод радиоактивного ядра в спокойное при нейтронном облучении в гибридном реакторе. И термоядерные установки тоже могут использоваться для выжигания радиоактивных отходов.

То есть попутно выясняются какие-то новые прикладные возможности?

Конечно. Например, эти отходы сегодня могут быть активно использованы для продуктовой промышленности.

— Каким образом?

Стерилизация. Сейчас наш институт НИИТФА поставляет такие установки на внутренний и зарубежный рынки для стерилизации пищевых продуктов. В этих установках пищевые или медицинские продукты, например шприцы, проходят через поле излучения радиоактивных изотопов и в результате оказываются стерилизованными.

— А это не опасно?

— Правильный вопрос. Действительно, а можно ли облучать пищевые продукты? Так вот, в соответствии с американскими исследованиями этой идеи — да, можно, если брать определенные дозы. Насколько я понимаю, в космос берут пищу, которая стерилизована именно таким образом.

Другое дело, что здесь играет роль еще и экономика. Что дешевле? Поэтому в ряде случаев используют стерилизацию соответствующими газами.

Другое направление использования радиоактивных отходов и нарабатываемых изотопов — электрические генераторы РИТЭГ. Это системы, в которых радиоактивный изотоп, например плутоний, нагревает окружающую стенку, а дальше с помощью термоэлектрических преобразователей вы переводите тепло в электричество. В космос запускают такие генераторы на системах РИТЭГ. Есть более дешевые изотопы, извлекаемые из отходов. Сейчас мы предполагаем развивать такие генераторы, потому что идет очень много запросов на их поставку.

Валентин Пантелеймонович, как вы думаете, удастся создать термоядерный реактор, который будет работать бесперебойно, как Солнце? Верите ли вы в это, как вы когда-то верили в «Ангару»?

— Я считаю, что это совершенно необходимо. И да, его обязательно удастся создать. Не знаю когда и не могу ответить, насколько такой термоядерный реактор (если мы говорим о чистом термояде, в котором сгорают только лишь дейтерий и тритий) выдержит экономическую конкуренцию с существующими атомными реакторами. Но такой реактор очень важен, поэтому он обязательно появится, у меня нет сомнений.

— Вы живете в Москве, но продолжаете приезжать в Троицк, в родной ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Скучаете?

— Я очень люблю этот институт. Здесь работали и работают совершенно замечательные люди. И вообще, Троицк — научный городок, где царит особая атмосфера. Интеллектуальный уровень населения в этом городке всегда был очень высоким. Для меня здесь все родное: ведь самые свои активные годы физика-экспериментатора я провел здесь, в этих стенах, начиная с того момента, когда здесь ходил в резиновых сапогах, потому что было невозможно подойти к стройке «Ангары».

— Чтобы током не ударило или потому что было грязно?

Грязь! Здесь же ничего не было построено. А потом город расцвел, а наша машина приобрела мировую известность. На ней работали американцы, французы, англичане. Очень много было работы с китайцами, и она продолжается. ГНЦ РФ ТРИНИТИ — лучшая часть моей жизни, и мне не хотелось бы подводить итоги.