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.
Источник: портал «Научная Россия»