Щедрая на сюрпризы

Идея приручения термоядерной энергии отметила в ушедшем году свой 65-летний юбилей. Без пафоса и фейерверков, без пламенных речей и концертов, а лишь методичной работой лучших умов физиков-ядерщиков по всему миру. Именно в 1950 г. выдающиеся советские ученые Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм предложили концепцию разогрева плазмы и ее последующего удержания в трубе, «согнутой кольцом в виде баранки и обвитой по всей длине обмоткой, создающей в трубе магнитное поле, параллельное стенкам трубы». Несмотря на долгий и не всегда ровный путь, практическое воплощение этой идеи еще далеко от завершения. Плазма не перестает удивлять опытных и привлекать молодых ученых своими загадками, сюрпризами и подарками, не всегда приятными. Об этом и не только мы беседуем с аспирантом отделения токамаков НИЦ «Курчатовский институт» Леонидом Александровичем Ключниковым.

– Можно начать с самого начала: что такое токамак, что такое термоядерный синтез, зачем это все нужно. Термоядерный синтез, термоядерная энергетика  – это способ окончательно решить энергетическую проблему, связанную с тем, что когда-нибудь мы обязательно исчерпаем ресурсы нефти, газа, угля и, может быть, даже урана – правда, в очень отдаленной перспективе.

Для реализации этого амбициозного проекта по освоению термоядерной энергии сейчас самой перспективной установкой считается установка типа «токамак» – тороидальная камера с магнитными катушками, в которой создается сверхгорячая плазма с температурой гораздо выше, чем в солнечном ядре. Идея этих установок появилась в Советском Союзе и впервые была реализована в Курчатовском институте. В дальнейшем именно благодаря достижениям курчатовских физиков и инженеров токамаки завоевали лидирующие позиции в термоядерных исследованиях во всем мире. Сейчас Россия продолжает исследования в данной области, в том числе здесь, в Курчатовском институте, на установке Т-10.

Т-10 - это уже довольно взрослая установка. Она была создана в 1975 г., но до сих пор в строю, и на ней мы проводим многие современные исследования в области физики плазмы, в частности физики переноса частиц и энергии плазмы в токамаке.

Обусловлено это в первую очередь тем, что плазма-то может быть одна и та же в течение десятков лет, но при этом изучается она с помощью все более и более совершенных технологий и методов. И на Т-10 существуют ряд современных диагностических систем, которые позволяют проводить актуальные исследования.

Термояд международный

Сейчас во Франции сооружается установка ITER, в том числе при активном участии России. Вернее сказать, Россия (конкретно силами Евгения Павловича Велихова) в свое время была инициатором создания проекта и строительства этой установки и сейчас продолжает активно участвовать интеллектуально, технологически и финансово.

Несмотря на то что ITER уже сооружается, до сих пор остается очень много вопросов по физике плазмы и физике термоядерного синтеза. Многие из них связаны с тем, что не совсем понятно, как эта плазма живет, как в ней происходит перенос тепла, частиц, как в ней удерживается энергия.

– Что подразумевается под транспортными процессами?

– Имеется в виду, что мы вложили в плазму какое-то количество энергии с помощью различных систем нагрева, в нее поступает также и топливо в виде дейтерий-тритиевой смеси. Транспортные процессы обусловливают то, как частицы и энергия выходят из плазмы, т.е. насколько хорошо они там удерживаются. По давно существующим классическим представлениям удерживаться они должны очень хорошо, и управляемый термоядерный синтез, по идее, уже должен быть давным-давно осуществлен и освоен. Но, к сожалению, в плазме присутствуют самые разнообразные процессы, которые приводят к тому, что энергия и частицы из плазмы выходят гораздо быстрее, чем мы этого изначально ожидали.

Одна из важнейших задач сейчас состоит в том, чтобы понять, какие конкретно процессы за этим стоят, и научиться их контролировать. Причем не только контролировать, но и понимать, что будет дальше. Построят ITER, проведут исследования, получат новые данные, потом надо будет создавать следующую установку большего масштаба. И она уже должна стать демонстрационным термоядерным реактором. С таким реактором можно будет планировать получение энергии коммерчески, т.е. ток должен не только течь по проводам внутрь, но и уходить наружу из этого термоядерного реактора. В ITER не планируется съем энергии – это чисто экспериментальная машина. Но очень важная.

Последние установки типа «токамак» большого масштаба, самые крупные, которые у человечества вообще есть, построены порядка 30 лет назад. С тех пор новых машин большего масштаба уже не строилось, а ITER примерно в десять раз больше, чем современная самая крупная установка, которая называется JET. Таким образом, сегодня строится ITER, но до него нет каких-то промежуточных этапов.

– С чем связано отсутствие таких промежуточных шагов?

– Я так понимаю, что самое главное – это финансирование. Для термоядерной энергетики, которая может глобально разрешить все проблемы человечества с дефицитом газа, нефти и, кстати, целым комплексом экономических и политических проблем, с этим связанных, финансирование, на мой взгляд, совершенно недостаточное. Финансирование ITER – самого масштабного проекта, в котором участвует буквально весь цивилизованный мир, - составляет, насколько я знаю, порядка €15 млрд. Эти цифры можно сравнить с ценой строительства какого-нибудь скоростного шоссе, например. Деньги на самом деле не очень большие.

По всей видимости, человечество еще до конца и не осознает, что нефть когда-нибудь закончится, да и с ядерными реакторами есть понятные проблемы, в первую очередь связанные с отработанным ядерным топливом, которое надо хранить где-то в безопасном месте. В термоядерной энергетике таких проблем нет по определению.

– Может быть, не стоит ждать, пока закончится нефть? Ведь, как известно, каменный век закончился не потому, что закончились камни…

– Конечно! Надо двигаться вперед и освоить эту технологию как можно скорее. Сейчас трудно себе даже представить, что было бы, если бы работали коммерческие термоядерные реакторы, которые уже давали бы на рынок энергию по конкурентоспособным ценам.

Предсказуемая непредсказуемость

– Вы говорили, что ученые до конца так и не освоили поведение плазмы. Это связано с тем, что она просто недостаточно хорошо изучена, или ее поведение непредсказуемо в принципе?

– Очевидно, эта задача может быть разрешена, но, как оказалось, это очень и очень непросто. Если сравнить с теми же ядерными реакторами, то, несмотря на всю технологическую сложность, они освоены уже 60 с лишним лет назад. А управление плазмой и переносом частиц в плазме значительно сложнее, чем многие другие задачи, которые уже разрешены.

Плазма в чем-то непредсказуема. Может открыться какое-то новое ее свойство, которое приведет либо к улучшению ее параметров, либо к ухудшению. И это может довольно сильно изменить то понимание плазмы, которое сейчас сформировалось.

– А можете привести пример подобного события?

– Примерно лет 30 назад был открыт так называемый режим улучшенного удержания, и никто этого не ожидал. Может быть, построят ITER, а там откроется какой-нибудь режим суперулучшенного удержания, который сразу же все вопросы и закроет. А может быть, случится наоборот. Точно можно предсказать лишь одно: сюрпризы еще будут. Но надо изучать вопрос, надо проводить исследования. И они проводятся, в том числе у нас, в Курчатовском институте.

– Как был открыт режим улучшенного удержания?

– Фактически он был открыт случайно. Наращивали мощности, которые вкладывали в плазму. И вдруг после некоторых манипуляций удержание плазмы стало в два раза лучше. И такие режимы были получены после этого открытия практически на всех установках, на всех токамаках, которые в мире существуют. На ITER тоже планируется достичь такого режима.

Но могут быть сюрпризы и отрицательного характера. Откроется какая-нибудь новая неустойчивость, которая сейчас, быть может, неизвестна или известна только в теории. Или может случиться так, что несколько разных видов неустойчивости как-нибудь друг с другом провзаимодействуют, что приведет к ухудшению параметров плазмы. Трудно сказать. Но сегодня физики - исследователи плазмы уже в основном умеют этим управлять. Известно, как на плазму надо подействовать, чтобы стало лучше или хуже. Используя это знание эмпирически, можно, в принципе, получить хороший термоядерный выход, даже не умея описывать поведение плазмы досконально, во всех деталях. Точно так же мы ежедневно используем двигатель внутреннего сгорания, не пытаясь уяснить все нюансы происходящих в нем процессов.

– Кроме процессов, протекающих в плазме, какие еще можно выделить проблемы?

– Проблем масса, на самом деле. Плазма очень горячая. Она содержится внутри замкнутого объема – вакуумной камеры, и энергия, которая в плазме образуется, выходит и поглощается стенками реактора, т.е. выходит на поверхность камеры. Если посчитать среднюю нагрузку, которая приходится на всю площадь поверхности камеры за все время существования плазмы, эта нагрузка не очень велика даже в ITER. Ожидаемые величины - порядка тех, что характерны для двигателя внутреннего сгорания. Но проблема в том, что выход энергии может быть очень неоднороден. Во-первых, по времени: могут быть какие-то резкие вспышки, когда энергия резко поступает на стенку. Во-вторых, по пространству: какие-то точки очень сильно греются, какие-то точки наоборот получают мало энергии. Это приводит к тому, что предъявляются очень высокие требования к конструкционным материалам. Задача состоит в том, чтобы не допустить попадания в плазму элементов стенки.

Сейчас в ITER в качестве покрытия вакуумной камеры планируется использовать бериллий и вольфрам. Если бериллий будет поступать в плазму, это, конечно, плохо, но не катастрофично, т.к. бериллий – материал с малым атомным номером. На бериллии термоядерная реакция не идет, она идет на дейтерии-тритии, а бериллий здесь выступает как примесь, которая будет снижать эффективность реакции. А вот если в плазму попадет значительное количество вольфрама, то это приведет к потере устойчивости плазмы и к срыву разряда, что уже, в свою очередь, может привести к каким-то разрушениям в вакуумной камере установки. Есть еще неустойчивость срыва, при которой вся энергия, запасаемая в плазме в течение длительного времени, может очень резко выйти на стенку и буквально прожечь ее, – это очень опасная вещь.

– А можно чем-то заменить бериллий и вольфрам?

– Изначально планировался углерод. Его использование дает хорошие результаты в современных установках и более высокие показатели удержания энергии. Но проблема в том, что в углероде будет накапливаться тритий. Он будет его в себя «засасывать». Тритий очень дорогой, и непонятно, как его оттуда доставать. Кроме того, стойкость углерода к тепловым нагрузкам значительно ниже. Эта проблема привела к тому, что от углерода было решено отказаться и вместо него использовать бериллий и вольфрам.

Большой конструктор

– Установка Т-10 создана еще в 1970-е гг., и большинство существующих токамаков в мире примерно того же поколения. Достаточно ли их технических характеристик, чтобы проводить современные исследования?

– Достаточно. Токамак – это такой конструктор, в котором можно очень многое изменить внутри. Можно полностью изменить покрытие, структуру вакуумной камеры, заменить материалы, из которых она состоит. Но постепенно строятся и новые токамаки. В частности, сейчас в Курчатовском институте будет фактически сооружен новый токамак - уже начата очень глубокая модернизация существующей установки токамака Т-15. В итоге получится вполне современная исследовательская установка.

.

– Говоря компьютерным языком, апгрейд токамака вполне возможен и достаточно прост?

– Конечно. И постоянно производится. Жизнь не стоит на месте, каждый день происходит что-нибудь новое.

Сейчас в мире активно ведутся эксперименты как раз с вольфрамом, установленным в камере токамака. В том числе у нас ведется такая программа на Т-10. Самое главное – можно постоянно вводить в строй диагностические системы, которые могут дать гораздо больше информации о плазме, чем было вчера или позавчера. Здесь наука постоянно идет вперед.

– Чем токамак, над которым сейчас работают в Курчатовском институте, будет принципиально отличаться от Т-10?

– Обновленная установка Т-15 будет обладать совсем другой конфигурацией. Т-10 - это токамак круглого сечения, а Т-15 будет установкой с вытянутым сечением плазменного шнура в форме буквы D. Будет установлено специальное устройство – так называемый дивертор, который сможет принимать на себя бόльшую часть нагрузки, выходящей на стенку.

Таким образом, наш коллектив физиков, сейчас работающий на Т-10, получит в руки новую машину, которая, несомненно, сможет внести свой вклад в мировую науку.

– А чем занимается конкретно ваша лаборатория?

– Наша лаборатория как раз изучает транспортные процессы, которые происходят в плазме, – как переносятся энергия и частицы в плазме. Конкретно мы изучаем плазму с помощью спектроскопических методов – смотрим на свет, выходящий из плазмы. Он содержит в себе огромное количество информации, если понимать физическую природу его происхождения. Например, мы инжектируем в плазму пучок атомов водорода, ускоренных напряжением 30 кВ до очень высоких скоростей. При этом возникает дополнительное излучение из центральных областей плазмы. Оно несет в себе информацию о самых главных параметрах: о концентрации и температуре электронов плазмы, примесей, ионов, которые будут реагировать и на которых будет осуществляться термоядерная реакция.

Все это имеет целью понять, как происходят переносы – перенос частиц, перенос примесей, перенос рабочего газа, перенос энергии. Плазма состоит из электронов и ионов. Тепло может уходить быстрее либо по ионному каналу, либо по электронному. Все это зависит от огромного количества процессов. Мы изучаем и многие другие параметры.

– Какие успехи достигнуты? Чем можете похвастаться?

– Похвастаться можно тем, что мы все больше и больше понимаем - пусть даже и не конкретные процессы, которые у нас происходят, но можем даже количественно описать вынос энергии и плазмы. То есть мы создаем необходимую базу для того, чтобы в дальнейшем разобраться, какие бывают неустойчивости или турбулентности в плазме, что всеми этими процессами управляет и как их контролировать.

Токамак с характером

Тут еще важно сказать, что на одной установке могут доминировать какие-то одни процессы, а на другой установке, которая отличается либо методом нагрева, либо размером токамака, физика может проявляться совершенно иначе. Такой «пазл» необходимо собрать, чтобы понять, что происходит у нас и как это можно применить к другим установкам. Но тут в помощь постоянное международное сотрудничество. Регулярно проходят различные конференции, где мы в том числе обмениваемся опытом с зарубежными коллегами и от них что-то перенимаем. Без этого нельзя. В одной стране сделать полностью работающий термоядерный реактор - наверное, сегодня практически нерешаемая задача. В свое время человечество решило, что эту технологию можно развивать только сообща. И с тех пор все исследования по этой теме стали открытыми.

– В рамках ваших исследований было что-то, что вас на самом деле удивило?

– Да, один раз мы получили подобный результат: мы обнаружили, что у нас на токамаке примеси, поступающие в плазму, распределяются по плазме не так, как электроны, и не так, как рабочий газ, а аккумулируются в центре, занимают именно центральные области шнура. Если такое будет происходить в реакторе, ни о каком хорошем термоядерном выходе просто речи быть не может. Особенно если аккумулироваться будут тяжелые примеси, как тот же вольфрам. Но оказалось, что если нагрев плазмы вести с помощью СВЧ-излучения на частоте 130–140 ГГц, то примеси из центра просто выбрасываются. Это было довольно интересное наблюдение. Не только мы, конечно, такие уникальные, что обнаружили этот феномен. Но у нас этот эффект оказался очень контрастным, было приятно на такое посмотреть. Можно сказать, мы внесли определенный вклад в общее дело.

Бывают разные наблюдения, но они в основном понятны только специалистам: здесь стало чуть лучше, здесь что-то изменилось. Но все это может быть темой обсуждения с коллегами, в том числе на конференциях. Бывает, что из таких кусочков собирается более цельная картина, которая позволяет что-то понять.

– Если говорить о термоядерном реакторе и вообще о термоядерном синтезе, существует хотя бы теоретический шанс совершить прорыв и кардинально ускорить процесс перехода к термоядерной энергетике?

– С самого детства я слышал, что на Луне есть практически бесконечные запасы гелия-3 – легкого изотопа гелия, на котором можно осуществить более безопасную термоядерную реакцию. Сейчас запланировано, что термоядерный синтез будет происходить на дейтерии-тритии, но при этой реакции выделяется нейтрон с очень высокой энергией. Его, конечно, можно использовать, но помимо выполнения полезной функции он еще попадает в элементы вакуумной камеры, в элементы конструкции установки и создает сильную наведенную радиоактивность. Кроме того, это ведет к ухудшению конструкционных свойств – постепенной деградации материалов. У реакции дейтерий-гелий-3 нет такого дефекта. Действительно, при реакции гелия с дейтерием не образуется нейтрона и стенка вакуумной камеры из-за этого не разрушается.

Но я недавно увидел оценки: для того чтобы осуществить термоядерную реакцию на гелии-3, необходимо будет улучшить параметры плазмы, которых сейчас человечество надеется достичь в ITER, во много раз. Можно привести такое сравнение: если создать ITER и получить термоядерную реакцию для человечества – это как для отдельно взятого человека залезть на Эверест, то освоить технологию с гелием-3 – это примерно как залезть на какую-нибудь гору, которая в три раза выше и находится на Марсе. А так – да, действительно, все возможно.

– Кроме того, придется как-то организовать доставку гелия-3 с Луны или синтезировать здесь…

– Можно, но в этом не будет большого смысла, потому что надо получить гораздо более высокие температуры и концентрации плазмы, чем те, которые сейчас по силам освоить человечеству. Гелием-3 иногда обусловливают необходимость полета на Луну. Но такие оценки говорят, что, по всей видимости, это делать совершенно незачем, по крайней мере для термоядерного синтеза. Поэтому на данный момент дейтерий с тритием – наше будущее.