Человечество всегда стремилось не только познать природу, но и использовать полученные знания себе во благо. В XXI веке мы настроены серьезно – ученые всего мира нацелены на получение принципиально нового источника энергии, основанного на ядерных реакциях, аналогичных тем, которые происходят в ядре Солнца. Масштабно? Да. Но так уж мы устроены. Для этого строится установка ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Задача международного проекта − продемонстрировать на практике возможность создания термоядерного реактора на базе токамака, а также решить физические и технологические проблемы, которые могут встретиться на этом пути. Суть в том, что на первый взгляд подобные реакции вырабатывают гораздо больше энергии, чем потребляют. Работа в этом направлении ведется уже более 60 лет, однако достичь желаемого результата пока не удается. Ожидается, что строящийся реактор типа токамак сможет вместить до 840 кубометров раскаленного водорода или плазмы и сможет вырабатывать не менее 500 мегаватт электроэнергии при потреблении 50 мегаватт. Как создавались первые токамаки, и когда ждать появления первых термоядерных электростанций – интервью с сотрудниками ФТИ имени А.Ф. Иоффе Евгением Гусаковым и Владимиром Минаевым.

Гусаков и Минаев. ФТИ. Слайд. Фото- Николай Малахин

Евгений Зиновьевич Гусаков – заведующий лабораторией физики высокотемпературной плазмы Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, доктор физико-математических наук, профессор.

Владимир Борисович Минаев – ведущий научный сотрудник лаборатории физики высокотемпературной плазмы, кандидат физико-математических наук, заместитель руководителя установки «Сферический токамак Глобус-М» ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

– Зачем человечеству термояд?

Гусаков: Сам термояд человечеству, пожалуй, не сильно нужен. Но нам всем нужна энергия. Ясно, что запасы ископаемой энергии ограничены. По разным оценкам, запасов нефти и газа хватит лишь до конца столетия. Уголь тоже ограничен, к тому же вредных выбросов при сгорании выделяется очень много. Поэтому мир нуждается в других источниках энергии.

Термоядерный синтез наряду с обычной атомной энергетикой предоставляет в этом плане большие возможности. Его ресурсная база, в общем-то, почти не ограничена, ведь он основан на использовании тяжелого изотопа водорода – дейтерия, который можно выделять из обычной воды. Это научились делать еще в 40-е годы прошлого века. Помимо этого, нужно использовать еще более тяжелый изотоп водорода – тритий. Его в природе нет, поскольку он неустойчив относительно распада. Но его нарабатывают на атомных электростанциях и используют в термоядерных экспериментах, которые сейчас проводятся во всем мире. Планируется, что в дальнейшем тритий будет производиться прямо в ходе термоядерного синтеза, в том числе на экспериментальном токамаке-реакторе ITER, который заработает в 2025 году.

Минаев: С ростом ВВП увеличивается и потребление энергии. Термоядерный синтез можно считать неограниченным источником энергии, к тому же действительно экологически чистым.

Гусаков: Нельзя забывать, что мы говорим об управляемом человеком термоядерном синтезе. Ведь существует термоядерный синтез неуправляемый, и все мы существуем и живем благодаря ему. Ведь источник энергии Солнца – термоядерный синтез. Без него не было бы и жизни.

− То есть мы стремимся обуздать эту плазменную силу нашего светила?

Гусаков: На Солнце она обуздана гравитационными силами, и это действительно огромный источник энергии. В космических масштабах Солнце находится достаточно далеко от нас, при этом его энергия в форме электромагнитного излучения согревает Землю и делает возможным существование на ней Жизни. Мы даже научились использовать эту энергию непосредственно преобразовывая её в электрическую энергию.

− Насколько мы приблизились к тому, чтобы управлять плазмой?

Минаев: Основные параметры, необходимые для реализации термоядерной реакции, уже получены на разных установках. Сейчас стоит задача (в том числе перед проектом ITER) перейти от чисто научных исследований к демонстрации возможности её практического использования. А затем создать демонстрационный реактор. Этот путь достаточно долгий. Запуск установки ITER переносился в общей сложности уже на 8 лет, с 2017 года на 2025-й. Ведь с инженерной точки зрения это очень сложная установка. А ее создание позволяет развивать новые технологии, разрабатывать новые материалы, которые раньше не были востребованы, и находить им применение в других отраслях.

Гусаков: Скорее всего, непосредственно энергетически выгодный термоядерный синтез воспроизведут уже в 30-е годы. В принципе, управляемый термоядерный синтез с небольшим выходом мощности уже был осуществлен в 90-е годы на двух токамаках – в Соединенных Штатах Америки на токамаке TFTR и в Великобритании на европейской установке JET, на которых было получено более десяти мегаватт термоядерной мощности.

В случае с ITER участники надеются, что смогут получить управляемое термоядерное горение, как если бы реакция происходила на Солнце. Отмечу, что в первых экспериментах плазму грели пучками атомов и ВЧ-излучением существенно большей мощности, чем выделялось за счёт реакций термоядерного синтеза. Мощность в десять – пятнадцать мегаватт была не способна нагреть плазму до «термоядерных» температур. В отличие от первых экспериментов, в случае ITER установка должна работать в режиме управляемого горения, поддерживаемого самой термоядерной реакцией.

По сути, термоядерный синтез – это тоже ядерная реакция, поэтому нельзя сказать, что речь идет об исключительно «зеленой» энергетике. Но главное отличие термоядерной энергетики от атомной состоит в том, что нам не нужно загружать в реактор на долгие годы ядерное топливо, которое распадается и дает энергию. В случае термоядерного реактора топливо загружается по мере необходимости, поэтому уровень радиоактивности, находящейся в реакторе, в целом невысокий. В случае аварии выброс радиоактивности будет очень небольшим, в отличие от масштабов чернобыльской катастрофы.

Основатель лаборатории физики плазмы в ФТИ академик В.Е. Голант

Основатель лаборатории физики плазмы в ФТИ академик В.Е. Голант

Предоставлено: Е. Гусаковым и В. Минаевым

− На сегодняшний день термин токамак используется во всем мире. Когда возникла идея его создания, и к чему удалось прийти сегодня?

Минаев: Идея создания управляемого термоядерного синтеза с использованием токамака − магнитной ловушки с замкнутой конфигурацией − возникла в России в 50-е годы. И первый успешный эксперимент, проведенный в Курчатовском институте на токамаке Т-3, подтвердил работоспособность этой схемы. И после этого туда приехали ученые из разных стран, в том числе из Великобритании. Они подтвердили, что плазма действительно нагрелась достаточно хорошо. В этот момент начался всплеск интереса к токамакам, и многие другие установки в разных странах стали перестраиваться под эту конфигурацию.

Сегодня, помимо традиционного направления с использованием токамаков, развивается сравнительно новое направление компактных сферических токамаков, у которых значение аспектного отношения (отношения большого радиуса тора к малому) меньше двойки. Собственно, «Глобус-М» и «Глобус-М2» также относятся к подобным установкам. В чем преимущество? В первую очередь, они компактны, а, следовательно, не дороги. Теория предсказывает, что плазма в такой геометрии более устойчива. Такие установки позволяют получать плазму со сходными, а порой и превосходящими обычные токамаки параметрами температуры и плотности. Такие компактные установки работают в Великобритании, США и Японии.

В экспериментах нам удалось получить плазму с параметрами, близкими к термоядерным. Научное сообщество привыкло измерять ее в килоэлектронвольтах, но, если говорить на простом языке − это десятки миллионов градусов. Критерием достижения области зажигания термоядерной реакции считается выполнение критерия Лоусона или достижение достаточного большого значения тройного произведения температуры, плотности плазмы и времени удержания энергии. Собственно говоря, в ITER и должен быть выполнен этот критерий.

Гусаков: В целом появление токамака для термоядерного синтеза связано с исследованиями и разработками термоядерного оружия. И первые результаты и в Советском Союзе, и в Соединенных Штатах были получены людьми, которые занимались созданием водородных бомб. Долгое время оставались засекреченными разработки академиков Игоря Евгеньевича Тамма и Андрея Дмитриевича Сахарова. Именно они выдвинули идею удержания частиц плазмы магнитным полем в ловушке тороидальной конфигурации. Суть в том, что заряженные частицы в магнитном поле двигаются по кружкам вокруг силовой линии. Они не могут свободно улететь поперёк силовой линии магнитного поля. И если эту силовую линию уложить на тороидальную поверхность, то окажется, что и вдоль силовой линии частицы далеко уйти не смогут.

После публикации работ Тамма и Сахарова начались эксперименты. Но оказалось, что плазма не удерживается, как предсказывалось, а магнитное поле – это дырявое сито, через которое частицы и энергия проскакивают, не оставляя ничего в объёме ловушки.

Лаборатория физики плазмы «на картошке» (70-е годы)

Лаборатория физики плазмы «на картошке» (70-е годы)

Предоставлено: Е. Гусаковым и В. Минаевым

Следующий существенный шаг сделали физики-экспериментаторы из Курчатовского института. Ученые работали с тороидальными токонесущими разрядами. Проблема состояла в том, что такие разряды были очень неустойчивыми, а плазма все время выбрасывалась на стенки. Тогда советский физик Натан Аронович Явлинский предложил уменьшить ток, создающий и нагревающий плазму. Оказалась, что плазма при этом стала гораздо устойчивее, но не стала холоднее. Тем самым был изобретён устойчивый токамачный разряд. И первые выдающиеся результаты были достигнуты в 1968 году на токамаке Т-3, который был построен на базе Института атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством академика Льва Андреевича Арцимовича. Тогда учёным удалось нагреть плазму до 1 кэВ (11,6 млн °C). Главное преимущество установок токамак состоит в том, что ток в них не только греет, но и удерживает плазму. После публикации результатов Т-3 английские учёные факту успешного эксперимента не поверили, приехали в Советский Союз со своей аппаратурой, чтобы своими глазами убедиться в возможностях этого устройства. И убедились.

− Как создавался «Глобус-М»?

Минаев: Сферический токамак «Глобус-М» создавался в очень сложные для нашей страны годы – девяностые. Ныне покойный основатель нашей лаборатории Виктор Евгеньевич Голант предложил построить такую установку и тем самым начать исследования в новом перспективном направлении. До этого в 70-е и 80-е годы прошлого века в нашей лаборатории развивались методы нагрева плазмы токамака до термоядерных температур с помощью электромагнитных волн (токамаки ФТ-1 и ФТ-2) и адиабатического сжатия в нарастающем магнитном поле (токамаки ТУМАН).  С начала 90-х годов мы совместно с американскими коллегами из Окриджской национальной лаборатории, которая предоставила частичное финансирование, стали работать и над проектом сферического токамака. В 1999 году мы запустили установку и получили первую плазму. Плазма оказалась устойчивой, с высокой плотностью и достаточно горячей для такой компактной установки.

Однако для закрепления успеха необходимо было развивать системы дополнительного нагрева для токамака. Специалисты из Курчатовского и Троицкого институтов привезли старый инжектор от установки Т-11, который был не востребован, но отлично подходил для «Глобуса». И нам вновь удалось достичь хороших результатов, которые были признаны мировой общественностью.

В целом установка работала до 2017 года. В это время параллельно шли работы по модернизации и созданию новой установки. Основная причина – относительно слабое магнитное поле, которое удерживает плазму. Когда мы стали применять методы дополнительного нагрева, оказалось, что образующиеся быстрые частицы плохо удерживаются в плазме. Поэтому было принято решение о модернизации установки и увеличении магнитного поля.

Гусаков: Помимо прочего, исследования на сферических токамаках показали, что не только удержание быстрых частиц, но и вообще удержание энергии в этой системе с ростом магнитного поля улучшается. Надо сказать, что это очень специфическое свойство именно сферических токамаков. В обычных установках удержание практически не зависит от магнитного поля. Потери энергии в токамаке связаны с турбулентными движениями плазмы, вызванными её неустойчивостью. Отмечу, что плазма в токамаке – это очень неустойчивая среда, поскольку она сильно не равновесная. Уж очень близко к ней расположены стенки, из-за чего температура и плотность оказываются сильно неоднородными. В результате этого внутри установки все буквально бурлит. Как оказалось, в сферическом токамаке бурлит несколько иначе, чем в обычном. Почему это так – до конца не ясно. Для этого и нужна экспериментальная наука. Поскольку теория в сложных ситуациях не всегда может все объяснить.

Команда токамака ФТ-1 у установки. Руководитель работ – М.М. Ларионов крайний правый в первом ряду

Команда токамака ФТ-1 у установки. Руководитель работ – М.М. Ларионов крайний правый в первом ряду

Предоставлено: Е. Гусаковым и В. Минаевым

− То есть сейчас еще нужно решить множество фундаментальных вопросов?

Гусаков: Верно. Но тем не менее, сама цель получения энергии – весьма прикладная. Мы не говорим сейчас о свойствах мироздания, об устройстве Вселенной. Нас интересует решение практической задачи, пусть и очень сложной.

Термоядерный синтез уже был осуществлен, и мы знаем, как он реализуется на Солнце. Но для того, чтобы им управлять, необходимо решить массу очень сложных физических и инженерно-технических задач.

Последние по мере сооружения ITER выходят на первый план, но остаётся не решённым и большое число физических задач. Дело в том, что вопросы сложного движения частиц плазмы, контроля над ним, проблемы изменения режимов перемешивания плазмы – не удаётся решить в рамках простых теоретических моделей. Зачастую для понимания поведения плазмы приходится численно моделировать движение очень больших ансамблей индивидуальных заряженных частиц в создаваемых ими же электромагнитных полях.

−  Тогда какие задачи стоят сегодня перед учеными, занимающимися данной тематикой?

Минаев: Если мы переходим от стадии чисто фундаментальных исследований к прикладным, ориентированным на создание энергетической установки, необходимо решить ряд принципиальных задач. Главная из них − работа в квазинепрерывном режиме. С коммерческой точки зрения, токамак, работающий в импульсном режиме, никому не интересен. Установка должна работать, грубо говоря, 200 дней в году, чтобы это было коммерчески оправдано, а энергия – экономически востребована. Пока токамак остается принципиально импульсной установкой, где ток в плазме возбуждается растущим магнитным полем, которое не может нарастать бесконечно. По сути она работает как трансформатор.

Сборка токамака ФТ-2. (Слева направо И.П. Можаренко, А.Н. Левицкий, И.Е. Сахаров и руководитель проекта В.Н. Будников)

Сборка токамака ФТ-2. (Слева направо И.П. Можаренко, А.Н. Левицкий, И.Е. Сахаров и руководитель проекта В.Н. Будников)

Предоставлено: Е. Гусаковым и В. Минаевым

Гусаков: Токамак работает на законе Фарадея. У вас есть катушки, которые создают удерживающее тороидальное магнитное поле. А внутри установлен индуктор, который создает переменное магнитное поле направленное вдоль оси симметрии тора. По закону Фарадея, переменное магнитное поле создает квазипостоянное тороидальное электрическое поле. Чтобы оно сохранялось, а плазма грелась, магнитный поток должен непрерывно меняться в индукторе. Это значит, что магнитное поле должно расти. Но, конечно, бесконечно расти оно не может, потому что на токи, текущие по проводникам в индукторе со стороны магнитного поля, действуют всё большие и большие силы. Это значит, что длительность разряда в классическом токамаке ограничена несколькими секундами. А этого недостаточно для токамака-реактора.

Минаев: Поэтому развиваются методы поддержания тока: высокочастотные и инжекционные.

Вторая задача связана с нагревом плазмы до температуры, при которой интенсивно идут термоядерные реакции. А решение третьей задачи нуждается в новых подходах в области материаловедения: плазма нагревается, и так или иначе её энергия попадает на материальную стенку установки. Как она будет себя вести при длительном разряде – большой вопрос.

Гусаков: Он стоит сейчас таким образом: а можно ли будет работать с нержавеющей сталью в термоядерном реакторе. Годится ли она для этих целей? Поэтому сейчас обсуждается возможность перехода на другую металлургию – металлургию ванадия.

Минаев: Помимо этого, остро стоит проблема управления. Сейчас используется электромагнитная диагностика, которая измеряет динамику магнитных потоков, благодаря чему мы можем контролировать и корректировать положение плазмы. При длительном разряде изменения магнитных потоков очень небольшие. Поэтому пока до конца не ясно, как управлять этим процессом при таких условиях.

Гусаков: Нельзя забывать, что сферический токамак в результате термоядерных реакций (или просто ядерных реакций) производит нейтроны, которые сами по себе представляют ценность. Помимо той энергии, которая вырабатывается в термоядерных реакциях. Такие нейтроны могут быть использованы и в медицине, и в материаловедении, а также решить задачу разрушения (дезактивации) отходов ядерной энергетики. Кроме того, они могут нарабатывать и топливо для ядерной энергетики, которая сейчас производит большой объем энергии. Запасы изотопа урана-235, используемого в атомной энергетике, ограничены. Восполнить их можно с помощью термоядерных нейтронов при облучении тория, запасы которого практически неограничены.

Внутренний вид камеры токамака Глобус-М

Внутренний вид камеры токамака Глобус-М

Предоставлено: Е. Гусаковым и В. Минаевым

− Можно ли сказать, что проекты, связанные с исследованиями на токамаках в разных странах, нацелены на обеспечение работы ITER как главной установки?

Минаев: Нет. Это некое сужение задач. ITER – это одна из установок, хотя и самая большая на текущий момент. Многие токамаки работают в поддержку этого проекта. Но работы этим не ограничиваются. Существуют и другие сферы научных интересов.

Гусаков: В значительной степени, но не полностью. Это сильно зависит от страны. В Европейском Союзе, например, политика очень жесткая: научные работы должны быть полезными для проекта ITER, только так можно получить финансирование. В Китайской Народной Республике уделяют большое внимание источникам нейтронов. В Соединенных Штатах Америки развиваются самые разные проекты, лишь часть из которых направлена на реализацию ITER. При этом в США подобные эксперименты поддерживают и частные инвесторы. То есть подходы к решению задачи управляемого термоядерного синтеза разные в разных странах. Но ITER сейчас, конечно, считается флагманом этого направления.

Минаев: Да, это ключевой международный проект на сегодняшний день.

Коллектив УНУ "Сферический токамак Глобус-М" на фоне установки: (слева направо) А.Н. Коновалов, С.Ю. Толстяков, В.В. Дьяченко, П.Б.Щеголев, М.И. Патров, Е.А. Тюхменева, В.К. Гусев (рук. УНУ), В.Л. Савицкий, Ю.В. Петров, В.Б. Минаев (зам. рук. УНУ), И.В. Мирошников, А.Ю. Тельнова, Н.Н. Бахарев, А.В. Воронин, Е.О. Киселев, Н.А. Хромов, В.И. Варфоломеев, Н.В. Сахаров (зам. рук. УНУ), И.М. Балаченков

Коллектив УНУ "Сферический токамак Глобус-М" на фоне установки: (слева направо) А.Н. Коновалов, С.Ю. Толстяков, В.В. Дьяченко, П.Б.Щеголев, М.И. Патров, Е.А. Тюхменева, В.К. Гусев (рук. УНУ), В.Л. Савицкий, Ю.В. Петров, В.Б. Минаев (зам. рук. УНУ), И.В. Мирошников, А.Ю. Тельнова, Н.Н. Бахарев, А.В. Воронин, Е.О. Киселев, Н.А. Хромов, В.И. Варфоломеев, Н.В. Сахаров (зам. рук. УНУ), И.М. Балаченков

Предоставлено: Е. Гусаковым и В. Минаевым

− Подведем итог. Когда мы сможем приблизиться к использованию термоядерной энергии?

Гусаков: Уже сегодня исследования, посвященные управляемому термоядерному синтезу, приносят пользу. Знания, полученные в результате, о поведении плазмы и других фундаментальных аспектах, используются активно в других областях физики. Как и технические наработки и решения. Что же касается непосредственно энергии, то можно вспомнить слова академика Арцимовича: причина, по которой эти исследования ведутся очень долго, не в том, что их невозможно сделать быстрее, а в том, что они не востребованы в близкой перспективе. Как только человечество действительно осознает, что энергетика нуждается в термоядерных реакторах, через 20 лет они появятся повсеместно. Сейчас же обсуждается создание прототипа термоядерной электростанции к 2050 году.

Минаев: Полностью согласен. Когда у человечества появится реальная потребность в такой энергии, то в достаточно короткие сроки можно построить термоядерную электростанцию, вложив соответствующие средства. Это как полет в космос: была поставлена задача, и она была выполнена за определенное время в рамках неограниченного финансирования.

Гусаков: Сейчас мы находимся на этапе, когда даже не сделан выбор в пользу того или иного типа реакторов. Будет ли это токамак или стелларатор – пока неясно. Но выбор будет сделан, когда заработает ITER. После этого уже можно будет проектировать прототипы термоядерной электростанции. Скорее всего, мир увидит такие установки только во второй половине XXI века.