Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований ( ГНЦ РФ ТРИНИТИ) скоро отметит свое 60-летие – именно в 1957 году по инициативе академика А.П. Александрова была создана Магнитная лаборатория АН СССР. В течение всей своей более чем полувековой истории институт является одним из двигателей отечественной науки и технологий. Сегодня в лабораториях ГНЦ РФ ТРИНИТИ создается уникальное оборудование, разрабатываются передовые технологии, в том числе и для глобальных международных проектов. О сегодняшнем дне института и о последних разработках рассказывают ведущие специалисты института: Владимир Евгеньевич Черковец, Александр Григорьевич Красюков, Владимир Михайлович Борисов и Анатолий Михайлович Житлухин.
Владимир Евгеньевич Черковец, Генеральный директор института
Мы были созданы в 50-е годы как магнитная лаборатория Академии наук. Одним из соратников Курчатова был академик Анатолий Петрович Александров, который фактически являлся родоначальником магнитной лаборатории Академии наук. Он продолжал здесь работу, которую они с Курчатовым начали еще в Ленинградском Физтехе по размагничиванию кораблей, чтобы магнитные мины были для них не опасны.
В дальнейшем эта лаборатория вошла в состав Курчатовского института. Второй мощный толчок в конце 60-х годов дал Евгений Павлович Велихов, который фактически инициировал всю нынешнюю программу – лазеры, преобразование энергии, мощные МГД-генераторы, термояд.
В 90-е годы в силу исторических и экономических причин Курчатовский институт вышел из состава Минатома. А мы, создававшиеся здесь специально для крупных экспериментальных стендов и для специальных работ, остались в составе Росатома и успешно развиваемся. Показателем динамики может быть то, что за последние десять лет институт в пять раз увеличил объемы работ в основном по федеральным целевым программам, ГОЗ и другим спец. заказам при практически неизменной численности.
Мы выполняем научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области управляемого термоядерного синтеза – это следует из названия нашего института, – лазерных физики и техники, различных способов преобразования энергии, физики плазмы и сопутствующих тем, которые связаны с основной целью, которая была указана вначале.
Основным элементом, который используется в нашей работе, является плазма. Исследуются возможности использования специфических свойств этого уникального состояния материи, в том числе способы ускорения плазмы с достаточно большим энергосодержанием до больших скоростей: порядка 300 километров в секунду. Это, конечно, гораздо меньше, чем скорость света, но могу вас заверить, что если даже 30 микрограммов такого вещества с такой скоростью воздействует на поверхность, то последствия будут весьма примечательны, материал существенно изменит свои свойства.
Для каких целей мы это делаем? В первую очередь, для термоядерных установок типа токамак. Наших крупных задач здесь две. Одна из них: когда, например будет создан международный токамак ИТЭР, все-таки надо убедиться, что мы получили внутри именно то, что планировали, а мы ожидаем получить там плазму с термоядерными параметрами. Вторая задача – чисто технологическая. Много говорится о том, что нам нужна техника, пятого поколения. Какая же техника? Например, авиационная. У всех на слуху самолеты четвертого поколения: 4+, 4++. Эти плюсы появляются оттого, что трудно выйти на нужные параметры. А правильно надо бы говорить о технике пятого поколения. Но она будет тогда, когда лопатки турбины будут сделаны с заданными параметрами по жаропрочности , по стойкости к циклированию и др. В нашем институте такая задачка решается комбинированными методами – лазерным излучением и плазменными потоками обеспечивается такая прочность и износостойкость этих лопаток.
Можно сказать, что Филиал ИАЭ им. И.В. Курчатова (сейчас ГНЦ РФ ТРИНИТИ) – родина газоразрядных лазеров в Российской Федерации. Еще в начале ХХ века Эйнштейн обосновал возможность существования наряду со спонтанным и, самое главное, вынужденного излучения. Это сродни цепной реакции, как в реакторе. Квант электромагнитного излучения может вызвать не только дальнейшее возбуждение атома, но и генерирует себе подобных близнецов – т.е. когерентное излучение, когда клонируется гигантское количество квантов, идущих в том же направлении, с той частотой, той же фазой.
Для этого важно, чтобы среда была инверсно заселенная. В нашей обыденной жизни мы обычно имеем дело с тем, что на более высоком энергетическом уровне меньше частиц, а на нижних уровнях – больше. Шарик, помещенный на горку, скатится вниз. А нужно создать среду, чтобы на верхних уровнях долго поддерживалось больше возбужденных частиц. Для этого может быть использован газовый разряд как это делается в газоразрядных лазерах с различной рабочей средой. К настоящему времени достигнуты как рекордные параметры по мощности непрерывного лазерного излучения, так и результаты по практическому применению.
Еще одна важная задача для института – это управляемый термояд. Он может быть реализован двумя способами. Первый – магнитное удержание созданной плазмы с нужными параметрами ( температура – десятки млн. градусов). Это токамак, первый из которых создан в Курчатовском институте. И весь мир его подхватил, убедившись, что все правильно и все работает. В нашем институте действует один из трех Российских токамаков – Т 11М
Второй вариант термояда – это инерциальный термоядерный синтез, когда на миллиардные доли секунды создаются условия зажигания. В институте ежедневно проводятся эксперименты на одной из крупнейших в мире электрофизических установок – «Ангаре-5», где исследуется возможность осуществления такого типа термоядерного синтеза. Это примерно как в термоядерной бомбе, но только в очень малом пространственном масштабе. В дальнейшем можно предположить импульсный-периодический вариант, наподобие двигателя внутреннего сгорания, в котором в каждом такте в цилиндре сгорает органическое топливо, и на одну молекулу освобождаются доли электронвольта энергии. А в термоядерном варианте на каждый акт синтеза дейтерий-тритий высвобождается 14 МэВ, то есть в сто миллионов раз больше энергии. Если сделать такое устройство, то на машину его конечно не поставишь, но можно создать электростанцию. Все это еще пока очень далеко от реализации – это касается варианта с магнитным удержанием плазмы и, тем более, инерциального синтеза.
Александр Григорьевич Красюков, 1-ый заместитель директора отделения перспективных исследований, руководитель отдела технологических лазеров
Разработкой мощных лазерных систем и технологий на основе лазеров начали заниматься в нашем институте с начала 70-х годов – тогда еще филиале Института атомной энергии имени Курчатова. Мы разработали большое количество технологий. Были созданы мощные лазерные системы на основе CO2-лазеров, генерирующие излучение уровня киловатт и выше с длиной волны 10,6 микрон.
Тогда концерном Газпром руководил Виктор Степанович Черномырдин, и они с нашим директором организовали мозговой штурм: что мы можем предложить Газпрому. В числе задач было предложено дистанционно резать металлоконструкции при авариях на газовых скважинах.
В конце 1991 года на Карачаганакском газовом месторождении в Оренбургской области произошла очень крупная авария. Её пытались устранить 96 дней. Было завалено много металлоконструкций, а технология была тогда одна: размолачивать все эти завалы прямой наводкой артиллерийскими снарядами. Виктор Степанович, находясь на этой аварии, сказал: «Неужели наука ничего не может предложить?». Начальник штаба рассказал ему про наши разработки, и мы стали сотрудничать.
В 2000 году мы создали первый в России и мире мобильный лазерный технологический комплекс, располагающийся на двух платформах. Он тоже работал на базе CO2-лазера с выходной мощностью 50 киловатт. Нам газпромовцы привозили эти конструкции, мы здесь отрабатывали технологию резки. Тогда расстояние было 20-50 метров, ближе нельзя подходить.
Формирующий телескоп МЛТК-20
Сам комплекс оказался достаточно тяжелым и располагался в двух полуприцепах. Нужно было нечто покомпактнее и полегче, чтобы повысить мобильность. К нашему счастью, российский физик Валентин Павлович Гапонцев разработал и создал волоконный иттербиевый лазер с длиной волны 1,07 микрона. Нам понравилась эта идея, поскольку она очень хорошо вписывалась в концепцию создания компактных, мобильных и надежных лазерных источников. На базе этой разработки мы стали создавать мобильные лазерные технологические комплексы.
На базе двухкиловаттного лазера мы в 2004 году по заказу Росатома создали первый мобильный лазерный технологический комплекс, который предназначался также для дистанционной резки металлоконструкций толщиной 20-40 мм. Мы стали предлагать Газпрому создать новый образец комплекса для решения их задач при авариях. Аварии в России происходят на газовых скважинах с периодичностью примерно полторы в год. В конце 2009-го года мы получили заказ на создание такого комплекса и назвали его МЛТК-20. Он состоит из четырех контейнеров. Из них три – с лазерными восьмикиловаттными источниками и с блоком формирующего телескопа (четвертый контейнер), который передает излучение на заданную точку на расстояние до ста метров.
Первое боевое крещение прошло в июле 2011 года на Западно-Таркосалинском нефтегазоконденсатном месторождении. Там нам удалось за четыре дня разрезать 300 тонн завала буровой вышки, которая упала на устье скважины. Мы непрерывно резали металлоконструкции по 8-10 часов, после чего аварийщики растаскивали их своими тягачами. Мы разрезали все конструкции за четыре дня, и авария была ликвидирована. Это были рекордные сроки ликвидации, поскольку обычно на это закладывается до полутора месяцев. К сегодняшнему дню мы уже отработали на четырех авариях.
Сейчас интересная работа закончена в НИРовском этапе по заказу Газпрома совместно с ВНИИГАЗ. Правительство поставило задачу, и мы начали заниматься освоением арктического шельфа – там обнаружены большие запасы углеводородов. И здесь самая серьезная опасность – разливы углеводородного топлива. Когда случилась известная всем авария British Petroleum в Карибском море, в работе по ликвидации разливов сработало то, что там теплые края, и бактерии, в конце концов, съели эти разлившиеся углеводороды. Однако хрупкая экология Арктики не позволяет этого сделать. И мы вместе с ВНИИГАЗ разработали метод лазерного поджига и ликвидации нефтяных разливов. Разработана концепция создания специализированного комплекса на борту корабля либо вертолета, который может оперативно прибыть к месту случившийся аварии и произвести поджиг с последующей полной очисткой этого разлива. Надеемся, что в 2016 году это заработает.
Владимир Михайлович Борисов, заместитель директора по науке Отделения импульсных процессов (ОИП), начальник лаборатории импульсных лазерных систем (ЛИЛС)
Лаборатория импульсных лазерных систем, входящая в отделение импульсных процессов, существует уже около 30 лет и была создана для развития лазерных и плазменных источников и их применений. Мы в основном специализируемся на создании лазеров, работающих в импульсно-периодическом режиме, то есть работающих не непрерывно, а импульсно с высокой частотой повторения импульсов. При таком режиме мощность в импульсе может на порядки превышать мощность, достигаемую в непрерывном режиме. Некоторые лазеры, например, эксимерные, излучающие в УФ диапазоне, могут работать только в импульсном режиме. Именно импульсно-периодические эксимерные лазеры нашли в настоящее время очень широкое применение в лидарной технике, в производстве современных чипов, в технологии создания высокотемпературных сверхпроводниковых лент 2-го поколения, в медицине. Мы создали целое семейство эксимерных лазеров, излучающих в диапазоне длин волн от 193 нм до 350 нм, с энергией генерации в импульсе от 0,1 Дж до 10 Дж и частотой следования импульсов до 5 кГц. Эксимерный XeCl лазер с длиной волны 308 нм был применен в мобильном лидаре, который был разработан и использован нами в 1986 году для мониторинга последствий аварии на Чернобыльской АЭС. Эксимерный АrF лазер с длиной волны 193 нм и частотой следования импульсов 5 кГц создавался в лаборатории для современной литографии. Для литографии следующего поколения, где требуются источники с еще меньшей длиной волны излучения (13,5 нм), мы предложили и разработали плазменные источники на основе эффекта «Z-пинч». Эта работа велась в рамках нескольких проектов МНТЦ с партнерами из Германии и Японии. В результате был создан один из самых мощных в мире электроразрядных источников экстремального УФ излучения. В источнике формируется микропинч с объемом ~0,5 мм3, в который вводится электрическая мощность 170 кВт. Источник позволяет генерировать импульсы в диапазоне 13,5±0,13 нм с эффективностью ~2% и частотой следования импульсов 7 кГц.
Мощный электроразрядный источник экстремальногоУФ излучения (13,5 нм)
Последние три года мы занимаемся в рамках ФЦП воздействием плазменного или лазерного излучения на конструктивные материалы, используемые в Росатоме. Как известно, в настоящее время в Росатоме идет работа по проекту принципиально нового демонстрационного реактора с естественной безопасностью – БРЕСТ-ОД-300 (теплоноситель — расплавленный свинец при температуре 6500С). В качестве материала оболочек твэлов, являющихся наиболее напряженными элементами реактора, рассматривается 12%-ная хромистая ферритно-мартенситная сталь марки ЭП823. Физико-механические характеристики этой стали подробно исследованы и проверены. В частности, показано, что в зависимости от содержания кислорода в жидком свинце механизм коррозионного повреждения стали меняется от растворения при низком содержании кислорода до окисления при высоком его содержании. В очень узком диапазоне оптимального содержания кислорода в жидком свинце ([1÷4]•10-6 масс.% сталь слабо подвергается коррозии. Поддержание оптимального кислородного режима для реактора БРЕСТ-ОД-300 требует довольно сложной и дорогой системы. Нашей задачей является исследование возможностей улучшения характеристик оболочек твэлов, в первую очередь коррозионной стойкости, позволяющие расширить безопасный диапазон содержания кислорода в свинце и его температуру. Нами было предложено покрывать оболочку твэла специальной композитной керамикой, получаемой методом импульсного лазерного осаждения, используя разработанные нами мощные импульсно-периодические эксимерные лазеры. Довольно долго мы искали эффективные режимы абляции различных керамических мишеней и оптимальные условия осаждения керамик на поверхность оболочки твэла для достижения хорошей адгезии и прочности покрытия. Ускоренные коррозионные испытания образцов с созданным защитным покрытием проводились в открытом контейнере с жидким свинцом при температурах в диапазоне 650оС – 720оС. Испытания показали возможность достижения практически полного подавления коррозии поверхности оболочек твэлов с нанесенными защитными покрытиями. Полученные результаты дают основание для более детальных исследований и разработки высокопроизводительной технологии повышения коррозионной стойкости твэлов для реакторов на быстрых нейтронах, основанной на использовании лазерных источников с высокой частотой повторения импульсов.
Житлухин Анатолий Михайлович, заместитель директора Отделения магнитных и оптических исследований
Основной коллектив нашего отделения сформировался в 60-х годах в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова. В начале 70-х вместе с экспериментальной базой был переведен в Филиал ИАЭ им. И.В.Курчатова, где впоследствии вырос до современного Отделения магнитных и оптических исследований. Основная задача отделения – термоядерные исследования. Поначалу, когда исследования по управляемому термоядерному синтезу шли широким фронтом в нашем отделении исследовался один из подходов к решению термоядерной проблемы – создание термоядерного реактора на базе открытых магнитных систем. Это системы, в которых плазма удерживалась в пробочной магнитной ловушке
Был разработан перспективный вариант ловушки, и основной нашей задачей было заполнение этой ловушки водородной плазмой с температурой порядка 100 миллионов градусов. Был выбран метод заполнения – инжекция в ловушку мощных плазменных потоков, генерируемых импульсными плазменными ускорителями. Эти потоки входили в ловушку с двух сторон, сталкивались там, заполняя весь объем ловушки, обеспечивая интенсивную термоядерную реакцию.
Исследования продолжались в течение десятка лет – до начала 70-х годов, когда из многочисленных направлений разработки термоядерных систем выделилось одно главное. Оно всем широко известно – это токамаки: замкнутые магнитные системы, которые оказались наиболее перспективными. Постепенно все термоядерные исследования были переключены на развитие этого направления.
На физической стадии исследования токамаков было установлено, какого масштаба должна быть термоядерная установка, обеспечивающая положительный энергетический выход. Выяснилось, что это огромное сооружение, которое практически не под силу построить ни одной стране в отдельности. Было организовано международное сотрудничество, у истоков которого стоял Евгений Павлович Велихов.
После того как физики закончили свое дело наступила эра технологических исследований. Оказалось, что создание такой установки очень непростая технологическая задача. И естественно, что все мы, кто занимался альтернативными исследованиями, постепенно подключились к этой проблеме и стали заниматься в основном технологическими исследованиями. На нашу долю выпало исследование стойкости защитных материалов камеры международного экспериментального токамака-реактора ИТЭР.
Дело в том, что токамак в процессе своей работы регулярно «выплевывает» порцию плазмы на стенку вакуумной камеры. Энергия этой плазмы настолько велика, , что если не предпринимать никаких мер и не проводить специальных технологических исследований, то стенки быстро разрушаются. При этом ресурс термоядерной установки недостаточен для того, чтобы использовать ее даже в качестве экспериментального образца термоядерногореактора.
В нашем отделении начались исследования взаимодействия мощных плазменных потоков с поверхностью материалов со специалистами из стран, участвующих в проекте ИТЭР. В основном, из США и Европейского Союза. Основная задача была понять физику разрушений материалов при интенсивном плазменном воздействии, чтобы выбрать подходящие материалы и создать защитные конструкции, которые бы обеспечили требуемый ресурс работы установки.
В результате цикла исследований было подтверждено, что наиболее перспективными материалами, которые могут использоваться для защиты первой стенки реактора, являются вольфрам как самый тугоплавкий материал, бериллий как материал, который наиболее совместим с плазмой, потому что имеет очень низкое значение Z (порядковый номер элемента) и углеродный композит, который не плавится и поэтому разрушается гораздо меньше. Кроме того, были определены и допустимые режимы работы ИТЭР.. Можно считать, что сейчас мы находимся в завершающей стадии этих исследований.
В ходе исследований по программе ИТЭР было получено очень много полезных физических результатов. И как всегда при таких масштабных исследовательских работах были разработаны основы «побочных» технологий, которые оказались весьма перспективными.
Если при нагрузках, типичных для ИТЭР, происходит разрушение материалов, то оказалось, что, если мы уменьшим интенсивность плазменных потоков, то они очень благотворно действуют на материалы. На базе этого была развита и совершенствуется до сих пор технология обработки материалов импульсными плазменными потоками. Она получила название «плазменная технология» и имеет широкую перспективу применения.
Суть этой технологии в том, что когда вы очень быстро нагреваете поверхность, а затем даете ей быстро охладиться происходит очень эффективная и быстрая поверхностная закалка материалов. По сути на поверхности создаются слои новых материалов с замечательными свойствами. Во-первых, на порядки величины увеличивается коррозионная стойкость поверхности таких материалов. Во-вторых, в разы увеличивается износостойкость и уменьшается коэффициент трения..
Нужно отметить, что требования, предъявляемые современной промышленностью очень сложновыполнимые, порой – противоречивые. Если взять для примера газоперекачивающие турбины или турбины современных авиационных газотурбинных двигателей, то хотелось бы одновременно увеличить и износостойкость, и коррозионную стойкость, и усталостную прочность лопаток да вдобавок сделать так, чтобы при работе турбины на поверхность лопаток ничего не налипало и они оставались всегда чистыми. Одной лишь плазменной технологией, которой мы занимаемся, этого сделать не удается. Поэтому следующий этап, над которым мы работаем, это разработка комбинированных методов, то есть одновременно и лазерную, и плазменную обработку. Очевидно, что на этом пути открываются широкие перспективы внедрения новой технологии в высокотехнологичную промышленность, которая в будущем может одна с лихвой оправдать усилия, затраченные в ходе исследований по термоядерной тематике.
