Термоядерная энергетика уже много десятилетий остается одной из самых амбициозных научных задач человечества. Если ученым удастся создать промышленный термоядерный реактор, мир получит практически неисчерпаемый источник энергии. Но путь к этой цели состоит не только из гигантских международных проектов стоимостью в миллиарды долларов. Иногда он начинается с установки, которую можно разместить внутри университетского корпуса.
«Компьютерра» побывала в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ, где находится учебный токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) МИФИСТ. О том, зачем вузу понадобилась собственная термоядерная установка и как на ней готовят специалистов для будущих реакторов, — в нашей статье.
«Бублик» для студентов
В мире термоядерных исследований сейчас два главных проекта — строительство международного экспериментального реактора ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) во Франции и планы Китая запустить свои демонстрационные установки в ближайшие годы. Эти проекты — гиганты, сравнимые по масштабу с шестиэтажными домами. На их подготовку уходят годы, а ремонт, если что-то идет не так, может занять несколько лет.
Мы же ознакомились с установкой МИФИСТ в Московском инженерно-физическом институте, а Степан Крат, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических процессов в стенках термоядерных установок и заместитель заведующего кафедрой физики плазмы, объяснил как на таких машинах найти место для студентов (особенно младших курсов) и для чего еще нужен токамак науке.
Но сначала стоит объяснить, что такое ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками или же токамак. Если совсем просто, это установка в форме бублика, внутри которой с помощью мощных магнитов удерживается плазма — разогретое до миллионов градусов вещество. Именно такие установки сегодня считаются одним из самых перспективных путей к созданию термоядерной энергетики. В будущем токамаки должны научиться вырабатывать энергию за счет реакции синтеза легких атомных ядер — того же процесса, который происходит внутри Солнца. Пока до промышленного применения еще далеко, но именно на таких установках ученые отрабатывают технологии будущих термоядерных электростанций.
Возвращаясь к экскурсии в МИФИ: Крат начал рассказ с обучения студентов. По его словам, именно подготовка будущих специалистов стала главной причиной создания собственного токамака в МИФИ. Крупные термоядерные установки требуют длительной подготовки экспериментов и сложного обслуживания, поэтому студентам непросто получить на них регулярную практику. Университетский токамак позволяет работать с плазмой уже с младших курсов и участвовать в реальных исследованиях без отрыва от учебы.
Однако, как пояснил Крат, большие термоядерные установки плохо подходят для обучения. Подготовка экспериментов на них может занимать месяцы, а обслуживание требует участия больших коллективов специалистов. В таких условиях студентам сложно получить достаточно практического опыта во время учебы.
«Чем установка больше, тем она требует больше людей для обслуживания и тем на большем временном масштабе существует. Чтобы подготовиться к эксперименту на крупной установке, может потребоваться полгода. А студент существует от сессии до сессии».
Степан Крат, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических процессов в стенках термоядерных установок и кафедры физики плазмы, заместитель заведующего кафедрой физики плазмы по научной работе, заведующий лабораторией литиевых технологий обращенных к плазме элементов
Идея создать свой токамак прямо в вузе родилась в 2018 году. Как рассказал ученый, сначала проект финансировался за счет внутренних средств университета и пожертвований выпускников, а в 2019-м подключилась госкорпорация «Росатом». В итоге в 2021 году был запущен токамак МИФИСТ-0. Это тороидальная камера с магнитными катушками, которая по форме напоминает бублик, а если говорить научно, это тор с отношением большого радиуса к малому меньше двойки (так называемый сферический токамак).
На такой установке, по словам спикера, у студентов появляется возможность проводить свои эксперименты, не отрываясь от учебы. Даже если установку полностью выключить, за полгода на ней можно сделать все, что студенту может потребоваться.
Чистая плазма — залог успеха
Одна из ключевых научных задач, которые решаются на МИФИСТе — это изучение взаимодействия плазмы со стенкой камеры. Именно этой проблеме посвящена лаборатория, в которой работает ученый. В термоядерном реакторе плазма с температурой в миллионы градусов не должна касаться стенок — она удерживается магнитным полем, создаваемым катушками и током, протекающим по самой плазме. Но идеального удержания не бывает.
«Несмотря на то, что плазма удерживается магнитным полем, она все равно взаимодействует со стенкой. Частицы плазмы выбивают атомы из стенки, и те попадают обратно в плазму, загрязняя ее», — объясняет Крат.
Ученый сравнивает этот процесс с выстрелом картечью по кирпичной стене. Частицы плазмы выбивают из материала камеры мелкие фрагменты, которые затем попадают обратно в плазму и загрязняют ее. Из-за этого плазма начинает быстрее терять энергию, а значит, хуже подходит для поддержания термоядерной реакции.
Поэтому одна из задач — разработать материалы для стенок, которые бы меньше загрязняли плазму. Сейчас активно исследуется применения лития. Это легкий элемент, и даже если он попадет в плазму, потери энергии будут не такими катастрофическими. Для того чтобы изучать эти процессы в контролируемых условиях, и нужны такие установки, как МИФИСТ. Здесь можно отрабатывать технологии для будущих больших реакторов в малом масштабе. Кроме того, на МИФИСТе планируют получить так называемую диверторную конфигурацию плазмы — режим, который позволяет эффективнее отводить тепло и примеси из плазмы.
Удаленка для плазмы
МИФИСТ — не только учебная, но и научная площадка. Здесь, например, испытывали диагностику для крупного токамака Т-15МД в Курчатовском институте, в частности, лазерный интерферометр для измерения плотности плазмы. И здесь же занимаются вопросами начальных стадий развития разряда — всем тем, для чего не нужны рекордные параметры плазмы.
Но главная инновация — это система удаленного управления. Студенты могут подключаться к установке через интернет, заказывать параметры разряда и наблюдать за экспериментом в реальном времени. До появления МИФИСТа в мире был только один токамак, предоставляющий такой удаленный доступ, — чешский GOLEM (бывший советский ТМ-1М, подаренный Чехословакии еще в 1970-х). Теперь у российских студентов есть своя такая возможность. «Мы являемся вторым в мире таким устройством и не конкурируем ни с кем, дополняем и расширяем», — подчеркивает Крат.
Это принципиальная позиция — не пытаться перегнать, а дать возможность работать большему числу людей. В пятницу перед нашим приездом как раз прошла третья международная школа для иностранных студентов на МИФИСТе. И это не просто локальный успех: со временем к проекту могут подключиться и другие вузы.
Термояд: мифы и реальность
На вопрос о том, когда же термоядерные станции начнут давать ток, Степан Крат отвечает с известной долей иронии: «Начну с шутки о том, что термояд будет через 20 лет, и через 20 лет термояд будет через 20 лет. Так называемая большая термоядерная константа». Однако он дает и более конкретные прогнозы.
Термоядерный синтез — это реакция слияния легких ядер в более тяжелые, в отличие от деления тяжелых ядер на АЭС. Он безопаснее, не требует большого количества радиоактивного топлива и не оставляет долгоживущих отходов. Но для того, чтобы реакция пошла, нужно выполнить так называемое условие Лоусона — тройное произведение плотности плазмы, температуры и времени удержания должно быть достаточно большим. На Солнце плотность и время удержания велики, а температура невысока. В термоядерной бомбе — очень высокая температура и плотность, но ничтожное время. В токамаке — низкая плотность, среднее время удержания и очень высокая температура. Добиться нужных значений оказалось инженерно сложно из-за неустойчивостей плазмы и потерь энергии на излучение.
Оптимистичный сценарий предполагает, что зажигание (когда энергии выделяется больше, чем тратится на поддержание реакции) будет достигнуто уже в 2030-х годах. Более консервативный — что первые прототипы промышленных станций появятся к 2050-м. Пессимистичный может отодвинуть эту дату на следующий век. Пока же КПД токамаков меньше единицы, и все существующие установки потребляют больше энергии, чем производят.
Гонка гигантов и российский след
Сейчас наиболее активно термоядерное направление развивает Китай. Страна работает сразу над несколькими крупными проектами, включая BEST и будущий демонстрационный реактор DEMO. Сотрудничество с китайскими научными центрами продолжается и сегодня. Как рассказал Крат, во время нашего визита несколько студентов МИФИ находились на стажировке в КНР, организованной за счет китайской стороны. В Поднебесной заинтересованы в российских выпускниках и научном сотрудничестве. Уже подана заявка на экспериментальную кампанию на действующем китайском токамаке.
Серьезные проекты есть и в США, например SPARC (Soonest Possible Affordable Robust Compact), который строит частная компания при MIT, и тут есть повод для гордости.
«Высокотемпературные сверхпроводники в обмотках SPARC — российские, фирма Superox, потому что они на момент тендера были в два раза лучше, чем ближайшие зарубежные аналоги. Этим можно реально гордиться».
Степан Крат, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических процессов в стенках термоядерных установок и кафедры физики плазмы, заместитель заведующего кафедрой физики плазмы по научной работе, заведующий лабораторией литиевых технологий обращенных к плазме элементов
SPARC уникален своим огромным магнитным полем, которое стало возможным благодаря развитию технологий сверхпроводимости.
Россия, в свою очередь, не остается в стороне. Сейчас основные надежды российского термояда связаны с проектом ТРТ (Токамак с реакторными технологиями), который создается в Троицке и должен стать одной из главных исследовательских площадок страны. Хотя сам Крат не является ответственным за этот проект (он курируется госкорпорацией «Росатом», а научным руководителем выступает Курчатовский институт), ученый подчеркивает, что главная задача вузовских токамаков вроде МИФИСТа — готовить кадры для этих будущих проектов. Финансирование термоядерных исследований в России увеличилось с 2019–2021 годов, хотя в последнее время наблюдаются некоторые сложности.
Космические перспективы: от «Железного человека» до роя Дайсона
Разговор о токамаках быстро вышел за рамки учебной установки и современных исследований. В какой-то момент речь зашла о научной фантастике. Поводом стало сравнение с реактором из фильма «Железный человек» 2008 года, который, как и реальные термоядерные установки, должен был служить источником энергии.
По словам Степана Крата, главная цель всего направления термоядерной энергетики действительно остается неизменной — научиться получать энергию за счет реакции синтеза. Однако на практике возможности таких установок могут оказаться шире. Например, термоядерные реакторы рассматриваются как источник высокоэнергетических нейтронов для медицины, материаловедения и даже переработки ядерных отходов.
Не обошлось и без вопроса о космических полетах. Крат отмечает, что концепции термоядерных двигателей существуют уже давно. В одной из них токамак используется не только как реактор, но и как часть двигательной установки, выбрасывая плазму для создания тяги.
«На ионно-плазменных двигателях принципиально можно получить большие маршевые скорости, чем на химических. Для дальних полетов это может быть осмысленно».
Степан Крат, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических процессов в стенках термоядерных установок и кафедры физики плазмы, заместитель заведующего кафедрой физики плазмы по научной работе, заведующий лабораторией литиевых технологий обращенных к плазме элементов
Впрочем, до практической реализации таких идей еще далеко. Среди основных трудностей ученый называет охлаждение установки, защиту экипажа от излучения и обеспечение длительной работы системы в космосе. Поэтому после рассуждений о межпланетных путешествиях он возвращает разговор на землю. «Давайте сначала действующий токамак сделаем», — подчеркивает он.
Затронули и еще одну популярную идею из научной фантастики — сферу Дайсона, гигантскую конструкцию вокруг звезды (вроде Солнца) для сбора практически всей ее энергии. К этой концепции ученый относится скептически. По его мнению, цивилизация, способная построить такую мегаструктуру, вероятно, уже найдет более простые способы решения энергетических задач.
Гораздо реалистичнее, по его мнению, выглядит так называемый рой Дайсона — система из огромного числа спутников с солнечными батареями, которые могли бы собирать энергию Солнца и передавать ее на Землю. Впрочем, подобные проекты пока остаются делом весьма отдаленного будущего. Как отметил Крат, речь идет скорее о горизонте в несколько сотен лет, чем о технологиях ближайших десятилетий.
А что в итоге?
Токамак МИФИСТ — это не гонка за рекордами. Это попытка сделать сложную науку доступной для тех, кто будет строить термоядерную энергетику завтра. В небольшой лаборатории в МИФИ студенты учатся управлять миниатюрным солнцем, решая конкретные инженерные задачи. И, возможно, именно этот практический опыт окажется важнее любого теоретического прорыва.