директор направления научно-технических исследований и разработок Росатома
Индикатором развития этого направления может послужить резкий рост активности частных компаний, ведущих собственные (довольно затратные!) разработки в области управляемого термоядерного синтеза (УТС): в 2021 году в мире насчитывалось более двух десятков таких компаний (13 — в США), а объем их инвестиций в 2022 году увеличился более чем в два раза и, как ожидается, составит $ 2,8 млрд (по данным Fusion Industry Association).
Это свидетельствует о наличии и востребованности новых идей в этой области. Некоторые из них выглядят фантастическими, но, как мне представляется, вполне могут стать основой для будущих экспериментов. Вкратце: я считаю, что естественное место термояда — в космосе. Для этого утверждения есть следующие основания.
Ядерные реакции синтеза энергетически выгодны для легких ядер, в первую очередь для изотопов водорода и ближайших к нему элементов Периодической таблицы Менделеева. Поскольку между ядрами действует сила отталкивания, для того чтобы их столкнуть, нужна большая энергия. В стационарных условиях это требует высокой температуры: на уровне сотен миллионов градусов — для самой благоприятной реакции между ядрами дейтерия и трития, а для более «хитрых», но отчасти и более перспективных безнейтронных реакций температура должна быть еще выше. Поэтому ясно, что мы должны иметь дело с плазменным состоянием вещества.
Сильно нагретое вещество разлетается под действием внутреннего газокинетического давления и остывает, а разлет заряженных частиц плазмы можно ограничить наложением магнитного поля. При этом ограничивается лишь разлет в поперечном по отношению к магнитному полю направлении, а в продольном частицы движутся свободно. Для того чтобы они не улетали, необходимо замкнуть силовые линии. Отсюда естественная для установок термоядерного синтеза тороидальная геометрия и желание конструкторов создать как можно бóльшее магнитное поле, чтобы обеспечить магнитную термоизоляцию плазмы.
Тем не менее в лабораторных установках наличие стенки и поперечного магнитного поля критично, потому что частота вращения частиц в магнитном поле определяется исключительно зарядом и массой частиц, она не зависит от энергии. Это означает, что в плазме вблизи стенки могут находиться только «холодные» частицы, более энергичные просто попадут на стенку. Так что высоких температур можно ожидать, лишь отойдя от стенки довольно далеко. Следовательно, необходимо иметь достаточно большие установки. Поэтому попытки компактизировать термоядерные системы малопродуктивны.
Негативная роль стенки проявляется еще в нескольких проблемах. Во-первых, существующие материалы подвергаются высочайшим тепловым (2−3 МВт/м2 — на стенку и внутрикорпусные элементы, около 10 МВт/м2 — на диверторные пластины) и нейтронным (в среднем 0,5−1,2 МВт/м2) нагрузкам и оказываются на пределе работоспособности: происходят их охрупчивание, растрескивание, распыление. Во-вторых, возникает обратный поток вещества со стенки в плазму, что приводит к дополнительным потерям на излучение, остыванию плазмы, диссипации тока, деградации разряда, электрическим пробоям. В-третьих, изотопы водорода, служащие компонентами топлива, легко абсорбируются и диффундируют вглубь стенки.
Термоядерное сообщество пытается решить эти проблемы, порой успешно. Например, в международном проекте ИТЭР упор сделан на максимально термостойкие материалы: бо́льшая часть стенки будет изготовлена из бериллия и вольфрама; также изобретаются новые материалы. Мы придумали оригинальную литиевую защиту наиболее нагруженных элементов стенки: с помощью слоя жидкого или газообразного лития приходящие на стенку из плазмы потоки частиц купируются, энергия переизлучается, и тем самым снижается тепловая нагрузка на стенку.
Однако наилучший способ реализации термояда -отказ от стенки. Для этого термоядерное устройство нужно разместить в космосе. Это сразу решит большое количество инженерных проблем: можно будет избавиться от тяжеловесной вакуумной системы, от необходимости создания дорогостоящей вакуумной камеры. Автоматически решается и проблема рециклинга.
Вопрос заключается в том, можно ли запустить токамак в космос. Ответ: скорее всего, нет. Токамак — это сложная система, оснащенная многочисленными тяжелыми конструктивными элементами, которые в космосе необязательны, и целым набором сопутствующих систем, обеспечивающих его работоспособность. Вес одной только установки ИТЭР — 23 тыс. тонн, а комплекс вспомогательных систем напоминает небольшой город.
Следовательно, токамак не годится. Нужна система, отвечающая требованиям компактности, обеспечивая при этом стационарность. Эта система должна быть сверхпроводящей, низкоэнергетической и использующей прямое преобразование энергии, чтобы не тратить ее на тепловой цикл. Таким требованиям могут удовлетворять относительно простые системы, изобретенные в ходе термоядерных исследований, но не получившие большого распространения из-за прогресса токамаков, успешно эксплуатировавшихся в нашей стране. Такими системами могут стать гофрированный тор и сверхпроводящий диполь.
Можно предложить и более простую систему — кольцо с током без дополнительных магнитных катушек и без систем, корректирующих магнитную конфигурацию. Понятно, что такая система может быть легко масштабирована в бо́льшую или меньшую сторону. Важно, что некоторые возможности этой системы — в частности, ее равновесие и устойчивость — уже экспериментально проверены.
Термоядерные исследования в таких системах не велись, так как плазма в них потенциально неустойчива. Были изобретены более сложные системы, заведомо обеспечивающие ее устойчивость. Однако более поздние исследования показали, что эта неустойчивость не всеобъемлющая: она связана с определенными радиальными профилями характеристик плазмы. Грубо говоря, возникающая неустойчивость приводит систему в состояние так называемой граничной устойчивости, которое вполне стабильно.
Это было продемонстрировано в двух экспериментах со сверхпроводящими токовыми кольцами (диполями), американском и японском, в ходе которых в лабораторных условиях удалось симулировать управляемую левитацию. Американский эксперимент LDX (Массачусетский технологический институт) был более масштабным: там было достигнуто бóльшее значение тока, текущего по сверхпроводнику, и время существования разряда составило несколько часов. Японский эксперимент RT‑1 (Токийский университет) позволял подвешивать сверхпроводник на период до восьми часов, хотя при физических параметрах, достигнутых в этом эксперименте, ток был меньше, чем в американском. Но главное, оба этих эксперимента продемонстрировали возможность различного возбуждения тока в проводнике, его устойчивое положение даже в условиях гравитации и решили ту самую физическую парадигму, о которой я говорил выше — о возможности стационарного удержания плазмы в режиме ограниченной устойчивости.
Все вышесказанное доказывает, что соответствующий модельный эксперимент было бы весьма целесообразно провести в космосе уже на данном этапе развития космической программы, при формировании которой планируется создание новой орбитальной станции. Конечно, надо начать с мелкомасштабного эксперимента, и в первую очередь проанализировать возможности нахождения и эксплуатации сверхпроводника в открытом космосе. Насколько мне известно, такие возможности никем в мире до сих пор в полной мере не исследовались. Предстоит решить много интересных технических задач, связанных с существованием сверхпроводимости в космическом пространстве, с необходимостью оптимизировать конструкции проводника, с использованием криогенных систем, которые не должны быть громоздкими. Можно использовать наличие вакуума. И в ходе такого мелкомасштабного космического эксперимента можно было бы продемонстрировать создание и захват плазмы в магнитном поле сверхпроводника в открытом пространстве. Некоторые эксперименты нужно проводить на Земле: оптимизировать конструкции кольцевого проводника; изготовить компактный гиротрон, чтобы наиболее эффективным образом создавать плазму. Если к подготовке таких экспериментов приступить немедленно, лидерские позиции нашей страны в столь интересном направлении будут обеспечены.