ПУТЬ К ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ. ИНТЕРВЬЮ С Е.З. ГУСАКОВЫМ И В.Б. МИНАЕВЫМ - СОТРУДНИКАМИ ФТИ ИМ. А. Ф. ИОФФЕ/Наука России
19.08.2021 13:00
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.
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
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)
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
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)
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
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.
− 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.
