Предвестники нового технологического уклада
ВЗГЛЯД / ИЮНЬ – ИЮЛЬ #3_2023
Иллюстрация: @Neurovizor / Фото: Росатом, gkmp32.com
Развитие национальных технологий управляемого термоядерного синтеза (УТС) включает, помимо собственно реализации УТС и решения задач фундаментальной науки, массу других направлений. Многие из них востребованы уже сейчас — в медицине, химической промышленности и т. д. Руководитель проектного офиса по управлению УТС ЧУ «Наука и инновации» Андрей Аникеев рассказывает о том, как продвигается соответствующий федеральный проект РТТН и почему достижение его целей может ускорить переход страны к новому технологическому укладу.
Федеральный проект № 3 «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза (УТС) и инновационных плазменных технологий» включает пять подпрограмм.
Первая — разработка и имплементация базовых термоядерных технологий. Это основное направление, его цель — достичь результатов мирового уровня в области УТС: создать и удержать плотную горячую плазму, разработать систему нагрева для термоядерных установок и решить другие фундаментальные задачи.
Главный мировой тренд в области магнитного удержания — строительство токамаков. Самый крупный токамак на территории России — Т‑15МД в НИЦ «Курчатовский институт» — сейчас в рамках федерального проекта реконструируется, то есть фактически создается заново. В проект реконструкции заложен целый ряд серьезнейших научных исследований. Так, дивертор Т‑15МД — точно такой же, как в ИТЭР, и на нем планируется опробовать литиевую защиту первой стенки. Если испытания пройдут успешно, то, думаю, эту технологию выберут и другие страны. В перспективе после модернизации Т‑15МД может стать физическим прототипом гибридной установки.
Первая — разработка и имплементация базовых термоядерных технологий. Это основное направление, его цель — достичь результатов мирового уровня в области УТС: создать и удержать плотную горячую плазму, разработать систему нагрева для термоядерных установок и решить другие фундаментальные задачи.
Главный мировой тренд в области магнитного удержания — строительство токамаков. Самый крупный токамак на территории России — Т‑15МД в НИЦ «Курчатовский институт» — сейчас в рамках федерального проекта реконструируется, то есть фактически создается заново. В проект реконструкции заложен целый ряд серьезнейших научных исследований. Так, дивертор Т‑15МД — точно такой же, как в ИТЭР, и на нем планируется опробовать литиевую защиту первой стенки. Если испытания пройдут успешно, то, думаю, эту технологию выберут и другие страны. В перспективе после модернизации Т‑15МД может стать физическим прототипом гибридной установки.
На токамаке Т‑15 МД к 2024 году должна заработать первая очередь системы дополнительного нагрева (СВЧ-нагрев и нагрев пучками) и дать параметры до 5 МВт
Экспериментальной термоядерной установкой следующего поколения в России станет токамак с реакторными технологиями (ТРТ), его в рамках федерального проекта планируется построить в Троицке (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ») к 2030 году. Проект TРT разрабатывают организации Росатома и НИЦ «Курчатовский институт» в содружестве с институтами РАН.
Российские ученые занимаются и другими направлениями, например, открытыми ловушками. Важно осваивать все системы, включая альтернативные, — непонятно, какая из них «выстрелит» на следующем этапе, когда человечество приблизится к коммерческому УТС и во главу угла станут вопросы экономики, эффективности, безопасности.
Вторая подпрограмма — это исследования и разработки в области гибридных реакторных систем и технологий. Такие системы будут работать следующим образом. В термоядерном реакторе будет происходить управляемый термоядерный синтез, раскаленная плазма будет испускать высокоэнергичные нейтроны. Эти нейтроны, обладающие огромной энергией (14 мегаэлектронвольт), будут попадать в так называемый blanket (по-английски «одеяло») — подсистему гибридного реактора, окружающую область плазменного нейтронного источника. В этом «одеяле» основная энергия будет утилизироваться. То есть нейтрон, отдавая энергию, инициирует либо реакцию деления, либо ядерные реакции, связанные с трансмутацией.
Наиболее экономически выгодная концепция предполагает, что гибридный реактор будет нарабатывать топливо для тепловых атомных станций (как по уран-плутониевому, так и по торий-урановому циклу), а также перерабатывать ОЯТ. Это выгодно и удобно. Такая концепция позволяет включить УТС в отечественную энергетику уже в обозримом будущем. Сейчас ведутся теоретические расчеты и моделирование подобных систем.
Третье направление — "Разработка инновационных плазменных технологий, в том числе опытно-промышленных". Как ясно из названия, цель этого направления — внедрение в промышленность технологий, накопленных термоядерно-плазменным и лазерным сообществом с 1940—1950‑х годов. Это повысит лояльность общества к термоядерным исследованиям, а также даст мощнейший экономический эффект. Речь идет о колоссальном технологическом пласте — от разработки новых материалов и использования мощнейших СВЧ-генераторов до создания плазменных ракетных двигателей для полетов к ближайшим планетам.
Четвертое направление связано с лазерным термоядерным синтезом — альтернативным магнитному методу удержания способом, когда термоядерный синтез происходит вследствие быстрого обжатия мишени с топливом под воздействием пучков лазерного излучения. Разработка таких установок ведется во многих странах. Напомню, в Ливерморской национальной лаборатории (США) на установке NIF в прошлом году впервые в мире получили больше энергии, чем имел лазер, используемый для ее запуска. (Надо понимать, что это положительный выход именно по отношению к мощности, закачанной в мишень; если говорить о полном КПД системы, то «от розетки» было взято гораздо больше, так что этой установке, конечно, далеко до промышленного применения.)
В Сарове строится уникальная установка класса мейгасайенс — мультипетаваттный лазерный комплекс. На нем будут проводиться фундаментальные научные работы, которые позволят узнать, что́ происходило в момент зарождения Вселенной.
Разработки в области лазерного УТС породили множество технологий, используемых в различных областях: материаловедении, исследовании состояния вещества и других.
И наконец, последнее, пятое направление — разработка нормативной базы для термоядерных и гибридных систем и обеспечение лицензирования. Оно не менее важно, чем предыдущие: сейчас нормативная база для термояда отсутствует. ИТЭР, например, строится по тем же нормативным актам, что и французские атомные станции. Актуальность этой задачи признаёт и МАГАТЭ. Россия активно включилась в работу, уже создан проект федерального закона. Нормативная база будет регламентировать полный жизненный цикл термоядерных и гибридных систем, работающих в нейтронных режимах.
Параллельно создается база данных, которая позволит оперативно лицензировать термоядерные установки, хранить и каталогизировать данные о них.
Другие исполнители в рамках этой подпрограммы создают единую информационную платформу для обмена данными. Она позволит ученым, работающим в лабораториях разных городов, оперативно получать данные и участвовать в экспериментах на всех установках, подключенных к узлу. Сейчас это ПО развертывается в России: к нему уже подключены Новосибирск, Нижний Новгород, Москва. Центр управления системой находится в Троицке (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»). В перспективе мы хотим подключить эту систему к ИТЭР, с тем чтобы ученые из разных стран могли работать в едином цифровом пространстве.
Еще одна задача подпрограммы — подготовка кадров для работы по направлению УТС. Здесь наш главный партнер — НИЯУ «МИФИ». На территории университета работает небольшой собственный токамак МИФИСТ, в создании которого участвовали студенты и аспиранты. МИФИСТ — это не игрушка, а серьезная установка, на которой в рамках федерального проекта проводятся эксперименты по взаимодействию плазмы с обращенными к ней элементами.
Хочу подчеркнуть: уникальность федерального проекта в том, что его участники — команды из разных ведомств, а государственные заказчики — три организации: госкорпорация «Росатом» (координатор проекта), НИЦ «Курчатовский институт» (головная научная организация) и министерство науки и высшего образования. Такой симбиоз трех ветвей в одном федеральном проекте позволяет очень многое сделать: консолидировать требуемые компетенции научных коллективов различной ведомственной принадлежности, сфокусироваться на достижении единой для всех цели и в результате получить синергетический эффект. Нарабатывается опыт и в плане взаимодействия ученых из разных ведомств: мы регулярно проводим встречи, конференции, семинары. Это дает отличные научные результаты.
Российские ученые занимаются и другими направлениями, например, открытыми ловушками. Важно осваивать все системы, включая альтернативные, — непонятно, какая из них «выстрелит» на следующем этапе, когда человечество приблизится к коммерческому УТС и во главу угла станут вопросы экономики, эффективности, безопасности.
Вторая подпрограмма — это исследования и разработки в области гибридных реакторных систем и технологий. Такие системы будут работать следующим образом. В термоядерном реакторе будет происходить управляемый термоядерный синтез, раскаленная плазма будет испускать высокоэнергичные нейтроны. Эти нейтроны, обладающие огромной энергией (14 мегаэлектронвольт), будут попадать в так называемый blanket (по-английски «одеяло») — подсистему гибридного реактора, окружающую область плазменного нейтронного источника. В этом «одеяле» основная энергия будет утилизироваться. То есть нейтрон, отдавая энергию, инициирует либо реакцию деления, либо ядерные реакции, связанные с трансмутацией.
Наиболее экономически выгодная концепция предполагает, что гибридный реактор будет нарабатывать топливо для тепловых атомных станций (как по уран-плутониевому, так и по торий-урановому циклу), а также перерабатывать ОЯТ. Это выгодно и удобно. Такая концепция позволяет включить УТС в отечественную энергетику уже в обозримом будущем. Сейчас ведутся теоретические расчеты и моделирование подобных систем.
Третье направление — "Разработка инновационных плазменных технологий, в том числе опытно-промышленных". Как ясно из названия, цель этого направления — внедрение в промышленность технологий, накопленных термоядерно-плазменным и лазерным сообществом с 1940—1950‑х годов. Это повысит лояльность общества к термоядерным исследованиям, а также даст мощнейший экономический эффект. Речь идет о колоссальном технологическом пласте — от разработки новых материалов и использования мощнейших СВЧ-генераторов до создания плазменных ракетных двигателей для полетов к ближайшим планетам.
Четвертое направление связано с лазерным термоядерным синтезом — альтернативным магнитному методу удержания способом, когда термоядерный синтез происходит вследствие быстрого обжатия мишени с топливом под воздействием пучков лазерного излучения. Разработка таких установок ведется во многих странах. Напомню, в Ливерморской национальной лаборатории (США) на установке NIF в прошлом году впервые в мире получили больше энергии, чем имел лазер, используемый для ее запуска. (Надо понимать, что это положительный выход именно по отношению к мощности, закачанной в мишень; если говорить о полном КПД системы, то «от розетки» было взято гораздо больше, так что этой установке, конечно, далеко до промышленного применения.)
В Сарове строится уникальная установка класса мейгасайенс — мультипетаваттный лазерный комплекс. На нем будут проводиться фундаментальные научные работы, которые позволят узнать, что́ происходило в момент зарождения Вселенной.
Разработки в области лазерного УТС породили множество технологий, используемых в различных областях: материаловедении, исследовании состояния вещества и других.
И наконец, последнее, пятое направление — разработка нормативной базы для термоядерных и гибридных систем и обеспечение лицензирования. Оно не менее важно, чем предыдущие: сейчас нормативная база для термояда отсутствует. ИТЭР, например, строится по тем же нормативным актам, что и французские атомные станции. Актуальность этой задачи признаёт и МАГАТЭ. Россия активно включилась в работу, уже создан проект федерального закона. Нормативная база будет регламентировать полный жизненный цикл термоядерных и гибридных систем, работающих в нейтронных режимах.
Параллельно создается база данных, которая позволит оперативно лицензировать термоядерные установки, хранить и каталогизировать данные о них.
Другие исполнители в рамках этой подпрограммы создают единую информационную платформу для обмена данными. Она позволит ученым, работающим в лабораториях разных городов, оперативно получать данные и участвовать в экспериментах на всех установках, подключенных к узлу. Сейчас это ПО развертывается в России: к нему уже подключены Новосибирск, Нижний Новгород, Москва. Центр управления системой находится в Троицке (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»). В перспективе мы хотим подключить эту систему к ИТЭР, с тем чтобы ученые из разных стран могли работать в едином цифровом пространстве.
Еще одна задача подпрограммы — подготовка кадров для работы по направлению УТС. Здесь наш главный партнер — НИЯУ «МИФИ». На территории университета работает небольшой собственный токамак МИФИСТ, в создании которого участвовали студенты и аспиранты. МИФИСТ — это не игрушка, а серьезная установка, на которой в рамках федерального проекта проводятся эксперименты по взаимодействию плазмы с обращенными к ней элементами.
Хочу подчеркнуть: уникальность федерального проекта в том, что его участники — команды из разных ведомств, а государственные заказчики — три организации: госкорпорация «Росатом» (координатор проекта), НИЦ «Курчатовский институт» (головная научная организация) и министерство науки и высшего образования. Такой симбиоз трех ветвей в одном федеральном проекте позволяет очень многое сделать: консолидировать требуемые компетенции научных коллективов различной ведомственной принадлежности, сфокусироваться на достижении единой для всех цели и в результате получить синергетический эффект. Нарабатывается опыт и в плане взаимодействия ученых из разных ведомств: мы регулярно проводим встречи, конференции, семинары. Это дает отличные научные результаты.
Открытая ловушка
Открытая система удержания плазмы — это такая система, в которой магнитное поле представляет собой вытянутую область с максимумами на краях, достигаемыми при помощи кольцевых катушек. Области под этими катушками (те области пространства, занятого магнитным полем, в которых оно достигает максимального значения) принято называть магнитными пробками, а ловушку, устроенную по такому принципу, — пробкотроном. Заряженные частицы плазмы (отрицательные электроны и положительные ионы) движутся по силовым линиям магнитного поля между магнитными пробками, отражаясь от них и совершая, таким образом, колебательные движения. Частицы, имеющие кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера пробки, покидают ловушку за один пролет.
Такая система впервые была предложена Гершем Будкером (в честь которого назван Институт ядерной физики СО РАН). Исследования по открытым ловушкам в институте им. Г. И. Будкера продолжаются.
Такая система впервые была предложена Гершем Будкером (в честь которого назван Институт ядерной физики СО РАН). Исследования по открытым ловушкам в институте им. Г. И. Будкера продолжаются.
О влиянии санкций и сбоях в логистике
Несомненно, геополитическая обстановка серьезно повлияла на проекты: сдвиги сроков по некоторым составили полгода-год. Произошло это по причинам, на которые мы никак не могли повлиять, например, некоторые необходимые комплектующие просто-напросто застряли на таможне.
Надо отдать должное нашим исполнителям: когда все поставки были нарушены, они очень быстро сориентировались и начали проводить компенсирующие мероприятия — где-то находили альтернативные способы доставки, где-то переключались на импортозамещение. Но все это, конечно, потребовало средств и времени.
Сейчас кажется, что всё самое сложное позади. Те компоненты, которые невозможно приобрести за рубежом, заменены аналогами — российскими или из дружественных стран, контракты по многим уже перезаключены. В каком-то смысле нам повезло: сбой поставок начался весной 2022 года, когда мы только-только разворачивали проекты и не успели выплатить крупные авансы за рубеж. Соответственно, эти финансы сразу вложили в альтернативные варианты. Качество конечного продукта при импортозамещении не снизится — в нашем случае речь идет о штучных товарах, и после перехода на российские аналоги можно будет контролировать всю цепочку производства.
Есть и другие хорошие новости. Наши субподрядчики и мы сами переориентировались на отечественное производство. Кроме того, мы стали активнее работать с российским потребителем, началось более глубокое исследование внутреннего рынка. В качестве примера можно привести катализаторы: до событий 2022 года крупнотоннажная химическая промышленность даже не смотрела в сторону российских разработок, а сейчас прекрасно сотрудничает с нашими учеными. При этом мы по-прежнему готовы к взаимодействию с иностранными партнерами, если получим от них запрос.
Я считаю, что сложившаяся геополитическая ситуация нас сплотила. Все коллективы понимают: мы работаем в тяжелое для страны время, и каждый вложенный в исследования рубль должен приносить результат. Проблемы, как и в любом деле, есть, но все они решаемы.
Несомненно, геополитическая обстановка серьезно повлияла на проекты: сдвиги сроков по некоторым составили полгода-год. Произошло это по причинам, на которые мы никак не могли повлиять, например, некоторые необходимые комплектующие просто-напросто застряли на таможне.
Надо отдать должное нашим исполнителям: когда все поставки были нарушены, они очень быстро сориентировались и начали проводить компенсирующие мероприятия — где-то находили альтернативные способы доставки, где-то переключались на импортозамещение. Но все это, конечно, потребовало средств и времени.
Сейчас кажется, что всё самое сложное позади. Те компоненты, которые невозможно приобрести за рубежом, заменены аналогами — российскими или из дружественных стран, контракты по многим уже перезаключены. В каком-то смысле нам повезло: сбой поставок начался весной 2022 года, когда мы только-только разворачивали проекты и не успели выплатить крупные авансы за рубеж. Соответственно, эти финансы сразу вложили в альтернативные варианты. Качество конечного продукта при импортозамещении не снизится — в нашем случае речь идет о штучных товарах, и после перехода на российские аналоги можно будет контролировать всю цепочку производства.
Есть и другие хорошие новости. Наши субподрядчики и мы сами переориентировались на отечественное производство. Кроме того, мы стали активнее работать с российским потребителем, началось более глубокое исследование внутреннего рынка. В качестве примера можно привести катализаторы: до событий 2022 года крупнотоннажная химическая промышленность даже не смотрела в сторону российских разработок, а сейчас прекрасно сотрудничает с нашими учеными. При этом мы по-прежнему готовы к взаимодействию с иностранными партнерами, если получим от них запрос.
Я считаю, что сложившаяся геополитическая ситуация нас сплотила. Все коллективы понимают: мы работаем в тяжелое для страны время, и каждый вложенный в исследования рубль должен приносить результат. Проблемы, как и в любом деле, есть, но все они решаемы.
Стенд лазерной интерферометрии, на котором испытывают клапаны для электрореактивного двигателя. ГНЦ РФ ТРИНИТИ, Троицк, 11 апреля 2022 г.
Итоги и планы
ФП № 3 стартовал в 2021 году. Изначально он был рассчитан до конца 2024 года, затем продлен до 2030‑го. Мы заглядываем на шесть лет вперед — и, конечно, большой груз ответственности ложится на наши научно-технические советы: именно им предстоит решить, какие направления станут не просто актуальными, а прорывными. Ни один значимый результат федерального проекта не должен «лечь на полку». Современный мир — очень быстрый, и результаты пяти-шестилетней давности никому не нужны.
Следующий год — время подведения промежуточных итогов. ФП № 3 — это не гранитное изваяние, это живой, гибкий организм. По результатам 2024 года мы поймем, есть ли смысл заниматься этими направлениями еще шесть лет, или «программу 2030» нужно корректировать.
Есть вероятность того, что некоторые проекты, которые достигнут высокой степени технологической готовности к 2024 году, дальше финансироваться из федерального проекта не будут — их создателям придется искать индустриальных партнеров, заказчиков — внешних или внутриотраслевых — и самостоятельно внедрять свои проекты в промышленность.
На место «выращенных» нами проектов придут другие. Интересных идей хватает, особенно в рамках третьего направления, где решаются вопросы практического применения плазменных технологий.
Возьмем для примера НИОКР, которые ведутся в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». Давно известно, что обработка поверхности материала с помощью плазмы либо лазерного излучения улучшает его свойства, увеличивает прочность. Команда ученых из «ТРИНИТИ» взялась доказать, что использование обоих этих методов одновременно дает синергетический эффект. На это направлены все теоретические и экспериментальные исследования до 2024 года. Эксперименты проводятся с различными материалами. Когда дело дойдет до внедрения этих решений в промышленность, можно будет выбирать конкретную технологию под конкретную деталь — в зависимости от пожеланий заказчика.
Похожими исследованиями занимается коллектив НИЦ «Курчатовский институт». У них два направления. Первое — напыления для различных материалов. Второе (более любопытное, на мой взгляд) — разработка технологии производства биосовместимых покрытий для электродов кардиостимуляторов. В современных кардиостимуляторах электрод выполняет две функции: измеряет параметры сердечных сокращений и при необходимости корректирует их, выдавая импульсы для правильных ритмов. У любого прибора, взаимодействующего с поверхностью, в данном случае с человеческим телом, есть емкость, сильно зависящая от поверхности соприкосновения. При этом качество поверхности электрода, непосредственно контактирующего с сердечной мышцей, должно быть очень высоким. Специалистам Курчатовского института удалось добиться идеального баланса между емкостью и качеством покрытия. Создана опытная установка, мощность которой позволит в перспективе производить кардиостимуляторы в количестве, полностью покрывающем нужды российских медицинских центров. Этот проект имеет высокую степень готовности, думаю, в 2024 году он станет «выпускником» ФП № 3 РТТН.
Еще один важный кейс: в Институте общей физики (ИОФ) РАН научились с помощью гиротрона создавать микро- и макрочастицы заданных размеров. Это востребовано во многих отраслях промышленности, например, при производстве катализаторов. Коллеги готовы разработать технологию «под ключ» индивидуально для нужд каждого заказчика, вплоть до создания промышленной реакторной установки. Есть и кейсы, которые кажутся чем-то из области научной фантастики, например, разработанная учеными ИОФ РАН технология, способная воссоздать полный аналог лунного грунта.
На токамаке Т‑15 МД к 2024 году должна заработать первая очередь системы дополнительного нагрева (СВЧ-нагрев и нагрев пучками) и дать параметры до 5 МВт. Вторая очередь — до 25 МВт суммарного нагрева — должна быть запущена к 2030 году.
Также в горизонте до 2030 года будут идти активные работы над установкой следующего поколения — токамаком с реакторными технологиями (ТРТ); его планируется построить в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». К 2024 году должен быть подготовлен эскизный проект ТРТ. Это огромная конструкторская работа, необходимо учесть массу параметров, провести все необходимые испытания и т. д. К 2025 году на основе эскизного проекта планируется начать проектно-изыскательские работы, а к концу 2025 года — подготовить всю рабочую документацию для строительства. На 2026 год запланировано получение разрешения на строительство установки. Это амбициозный, но выполнимый план. Уже сейчас на площадке ТРИНИТИ развернуты подготовительные работы для строительства энергетической структуры вокруг токамака.
Еще одно направление, по которому ожидается мощный прорыв, — это работы по плазменным ракетным двигателям (ПРД). Сейчас они ведутся в трех центрах: АО ГНЦ «Центр Келдыша» (Роскосмос), АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» и Курчатовском институте, причем коллеги разрабатывают принципиально разные варианты двигателей. В ТРИНИТИ создают ионный ПРД, в Центре Келдыша — холловский ионный двигатель, а в Курчатовском институте работают над безэлектродным плазменным двигателем — фактически открытой ловушкой. К 2024 году должен быть создан макет такого двигателя, как минимум — его компоненты. К 2025 году мы рассчитываем получить лабораторный образец. Это серьезная работа, причем в сложившейся геополитической обстановке особенно остро встал вопрос об импортозамещении некоторых деталей, заложенных в проект.
Вкратце суммирую результаты по программе РТТН, которых планируется достичь к 2030 году.
Во-первых, создание уникального токамака с реакторными технологиями (ТРТ) — если все получится, он станет самой большой и мощной установкой подобного типа в мире. На его базе будет работать международный исследовательский центр термоядерных технологий.
Во-вторых, реновация материально-технической и экспериментально-стендовой базы ведущих российских научных центров, как в контуре Росатома (НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»), так и опорных вузов (НИЯУ МИФИ), и внешних организаций (Курчатовский институт, ИЯФ им. Г. И. Будкера, ФТИ им. А. М. Иоффе и др.).
В-третьих, как я уже сказал, мы планируем изготовить и смонтировать комплекс дополнительного нагрева установки Т‑15МД на суммарную мощность 15 МВт, а сам токамак Т‑15МД оборудовать современными диагностическими средствами.
В-четвертых, к 2030 году должен быть создан лётный прототип плазменного ракетного двигателя мощностью не ниже 300 кВт в нескольких вариантах, и дальше уже начнется работа с Роскосмосом.
Планируется также создать испытательный стенд мощных источников нейтронов МэВ-ного диапазона энергий и сдать в эксплуатацию газодинамическую многопробочную ловушку с полем не ниже 10 Тл в магнитных пробках и пробочным отношением не ниже 10.
Кроме того, будет развиваться опытно-промышленное производство мощных СВЧ-генераторов различного спектрального диапазона и назначения.
Если все запланированное сбудется, то реализация программы РТТН повлияет не только на Росатом, но и на страну в целом: к 2030 году Россия войдет в новый технологический уклад. Это будет достойным продолжением программы.
ФП № 3 стартовал в 2021 году. Изначально он был рассчитан до конца 2024 года, затем продлен до 2030‑го. Мы заглядываем на шесть лет вперед — и, конечно, большой груз ответственности ложится на наши научно-технические советы: именно им предстоит решить, какие направления станут не просто актуальными, а прорывными. Ни один значимый результат федерального проекта не должен «лечь на полку». Современный мир — очень быстрый, и результаты пяти-шестилетней давности никому не нужны.
Следующий год — время подведения промежуточных итогов. ФП № 3 — это не гранитное изваяние, это живой, гибкий организм. По результатам 2024 года мы поймем, есть ли смысл заниматься этими направлениями еще шесть лет, или «программу 2030» нужно корректировать.
Есть вероятность того, что некоторые проекты, которые достигнут высокой степени технологической готовности к 2024 году, дальше финансироваться из федерального проекта не будут — их создателям придется искать индустриальных партнеров, заказчиков — внешних или внутриотраслевых — и самостоятельно внедрять свои проекты в промышленность.
На место «выращенных» нами проектов придут другие. Интересных идей хватает, особенно в рамках третьего направления, где решаются вопросы практического применения плазменных технологий.
Возьмем для примера НИОКР, которые ведутся в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». Давно известно, что обработка поверхности материала с помощью плазмы либо лазерного излучения улучшает его свойства, увеличивает прочность. Команда ученых из «ТРИНИТИ» взялась доказать, что использование обоих этих методов одновременно дает синергетический эффект. На это направлены все теоретические и экспериментальные исследования до 2024 года. Эксперименты проводятся с различными материалами. Когда дело дойдет до внедрения этих решений в промышленность, можно будет выбирать конкретную технологию под конкретную деталь — в зависимости от пожеланий заказчика.
Похожими исследованиями занимается коллектив НИЦ «Курчатовский институт». У них два направления. Первое — напыления для различных материалов. Второе (более любопытное, на мой взгляд) — разработка технологии производства биосовместимых покрытий для электродов кардиостимуляторов. В современных кардиостимуляторах электрод выполняет две функции: измеряет параметры сердечных сокращений и при необходимости корректирует их, выдавая импульсы для правильных ритмов. У любого прибора, взаимодействующего с поверхностью, в данном случае с человеческим телом, есть емкость, сильно зависящая от поверхности соприкосновения. При этом качество поверхности электрода, непосредственно контактирующего с сердечной мышцей, должно быть очень высоким. Специалистам Курчатовского института удалось добиться идеального баланса между емкостью и качеством покрытия. Создана опытная установка, мощность которой позволит в перспективе производить кардиостимуляторы в количестве, полностью покрывающем нужды российских медицинских центров. Этот проект имеет высокую степень готовности, думаю, в 2024 году он станет «выпускником» ФП № 3 РТТН.
Еще один важный кейс: в Институте общей физики (ИОФ) РАН научились с помощью гиротрона создавать микро- и макрочастицы заданных размеров. Это востребовано во многих отраслях промышленности, например, при производстве катализаторов. Коллеги готовы разработать технологию «под ключ» индивидуально для нужд каждого заказчика, вплоть до создания промышленной реакторной установки. Есть и кейсы, которые кажутся чем-то из области научной фантастики, например, разработанная учеными ИОФ РАН технология, способная воссоздать полный аналог лунного грунта.
На токамаке Т‑15 МД к 2024 году должна заработать первая очередь системы дополнительного нагрева (СВЧ-нагрев и нагрев пучками) и дать параметры до 5 МВт. Вторая очередь — до 25 МВт суммарного нагрева — должна быть запущена к 2030 году.
Также в горизонте до 2030 года будут идти активные работы над установкой следующего поколения — токамаком с реакторными технологиями (ТРТ); его планируется построить в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». К 2024 году должен быть подготовлен эскизный проект ТРТ. Это огромная конструкторская работа, необходимо учесть массу параметров, провести все необходимые испытания и т. д. К 2025 году на основе эскизного проекта планируется начать проектно-изыскательские работы, а к концу 2025 года — подготовить всю рабочую документацию для строительства. На 2026 год запланировано получение разрешения на строительство установки. Это амбициозный, но выполнимый план. Уже сейчас на площадке ТРИНИТИ развернуты подготовительные работы для строительства энергетической структуры вокруг токамака.
Еще одно направление, по которому ожидается мощный прорыв, — это работы по плазменным ракетным двигателям (ПРД). Сейчас они ведутся в трех центрах: АО ГНЦ «Центр Келдыша» (Роскосмос), АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» и Курчатовском институте, причем коллеги разрабатывают принципиально разные варианты двигателей. В ТРИНИТИ создают ионный ПРД, в Центре Келдыша — холловский ионный двигатель, а в Курчатовском институте работают над безэлектродным плазменным двигателем — фактически открытой ловушкой. К 2024 году должен быть создан макет такого двигателя, как минимум — его компоненты. К 2025 году мы рассчитываем получить лабораторный образец. Это серьезная работа, причем в сложившейся геополитической обстановке особенно остро встал вопрос об импортозамещении некоторых деталей, заложенных в проект.
Вкратце суммирую результаты по программе РТТН, которых планируется достичь к 2030 году.
Во-первых, создание уникального токамака с реакторными технологиями (ТРТ) — если все получится, он станет самой большой и мощной установкой подобного типа в мире. На его базе будет работать международный исследовательский центр термоядерных технологий.
Во-вторых, реновация материально-технической и экспериментально-стендовой базы ведущих российских научных центров, как в контуре Росатома (НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»), так и опорных вузов (НИЯУ МИФИ), и внешних организаций (Курчатовский институт, ИЯФ им. Г. И. Будкера, ФТИ им. А. М. Иоффе и др.).
В-третьих, как я уже сказал, мы планируем изготовить и смонтировать комплекс дополнительного нагрева установки Т‑15МД на суммарную мощность 15 МВт, а сам токамак Т‑15МД оборудовать современными диагностическими средствами.
В-четвертых, к 2030 году должен быть создан лётный прототип плазменного ракетного двигателя мощностью не ниже 300 кВт в нескольких вариантах, и дальше уже начнется работа с Роскосмосом.
Планируется также создать испытательный стенд мощных источников нейтронов МэВ-ного диапазона энергий и сдать в эксплуатацию газодинамическую многопробочную ловушку с полем не ниже 10 Тл в магнитных пробках и пробочным отношением не ниже 10.
Кроме того, будет развиваться опытно-промышленное производство мощных СВЧ-генераторов различного спектрального диапазона и назначения.
Если все запланированное сбудется, то реализация программы РТТН повлияет не только на Росатом, но и на страну в целом: к 2030 году Россия войдет в новый технологический уклад. Это будет достойным продолжением программы.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ