Термояд в ловушке
ВЗГЛЯД / #8_ОКТЯБРЬ_2024
Записал Александр ЮЖАНИН / Фото: ТАСС, UKAEA, Wikipedia
На фото: начальник ГУ по использованию атомной энергии при Совете Министров СССР Василий Емельянов, председатель комиссии по атомной энергии США Джон Маккоун и директор Института атомной энергии Игорь Курчатов у пульта управления атомным реактором Ф‑1, 1959 г.
«НАЭ» продолжает серию публикаций самых важных материалов из журнала «Атомная энергия». На этот раз мы предлагаем вашему вниманию статью Игоря Курчатова о развитии термоядерной энергетики. Она была опубликована без малого семь десятков лет назад, но уже тогда ученому были очевидны перспективы этого источника энергии. Прокомментировать статью мы попросили ведущих российских экспертов.
И. В. Курчатов. О некоторых работах Института атомной энергии Академии наук СССР по управляемым термоядерным реакциям. — Атомная энергия. Том 5. Выпуск 2. 1958 год.
Решающее значение для жизни людей имеет энерговооруженность. Наличие электроэнергии в любой точке Земли в нужном количестве обеспечило бы возможность создания необходимой степени благосостояния всех членов общества. Существующие ныне методы получения электроэнергии далеки от тех возможностей, которые откроет инженерное решение намечающихся путей осуществления управляемой термоядерной реакции. Проведенные за последнее десятилетие физиками различных стран работы показали, что поставленная задача принципиально может быть решена и время решения этой задачи не так уже далеко.
Практически неисчерпаемые запасы термоядерного топлива, его громадная энергопроизводительность в сочетании с возможностью прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую делают термоядерный процесс поистине замечательным. Работы по управляемым термоядерным реакциям начались одновременно в СССР, США и Англии в 1950—1951 годах, и до 1956 года они везде велись в секретном порядке. В 1956 году СССР рассекретил одно из направлений работ в этой области — исследования импульсных разрядов в прямых трубах, наполненных дейтерием. Ряд аналогичных работ был доложен учеными разных стран в 1957 году на Международной конференции по газовому разряду в Венеции.
В конце января 1958 года английскими учеными были опубликованы результаты работ на установках «ЗЭТА» и «Скептер» по нагреву разреженного дейтерия в тороидальных камерах. Тогда же было опубликовано несколько работ американских авторов. Весной 1958 года на специальной сессии Американского физического общества, посвященной термоядерным исследованиям, были доложены работы, ведущиеся в Принстоне, Окридже и Ливерморской лаборатории Калифорнийского университета. Нужно думать, что на предстоящей 2‑й Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве взаимная информация о работах, ведущихся в разных странах по управляемым термоядерным реакциям, будет достаточно полной.
Решающее значение для жизни людей имеет энерговооруженность. Наличие электроэнергии в любой точке Земли в нужном количестве обеспечило бы возможность создания необходимой степени благосостояния всех членов общества. Существующие ныне методы получения электроэнергии далеки от тех возможностей, которые откроет инженерное решение намечающихся путей осуществления управляемой термоядерной реакции. Проведенные за последнее десятилетие физиками различных стран работы показали, что поставленная задача принципиально может быть решена и время решения этой задачи не так уже далеко.
Практически неисчерпаемые запасы термоядерного топлива, его громадная энергопроизводительность в сочетании с возможностью прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую делают термоядерный процесс поистине замечательным. Работы по управляемым термоядерным реакциям начались одновременно в СССР, США и Англии в 1950—1951 годах, и до 1956 года они везде велись в секретном порядке. В 1956 году СССР рассекретил одно из направлений работ в этой области — исследования импульсных разрядов в прямых трубах, наполненных дейтерием. Ряд аналогичных работ был доложен учеными разных стран в 1957 году на Международной конференции по газовому разряду в Венеции.
В конце января 1958 года английскими учеными были опубликованы результаты работ на установках «ЗЭТА» и «Скептер» по нагреву разреженного дейтерия в тороидальных камерах. Тогда же было опубликовано несколько работ американских авторов. Весной 1958 года на специальной сессии Американского физического общества, посвященной термоядерным исследованиям, были доложены работы, ведущиеся в Принстоне, Окридже и Ливерморской лаборатории Калифорнийского университета. Нужно думать, что на предстоящей 2‑й Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве взаимная информация о работах, ведущихся в разных странах по управляемым термоядерным реакциям, будет достаточно полной.
Упрощенная схема открытой линейной плазменной ловушки с магнитными зеркалами
Систематические исследования по управляемым термоядерным реакциям в СССР начались с работ Андрея Сахарова и Игоря Тамма. В их работах была рассмотрена возможность термоизоляции горячей плазмы магнитным полем и нагрева ее джоулевым теплом протекающего в плазме тока. Для уничтожения ухода частиц вдоль магнитного поля предполагалось осуществлять термоядерную реакцию в тороидальной камере, внутри которой замыкаются линии магнитного поля. Уже первые теоретические исследования показали, что в таких системах для борьбы с «тороидальным дрейфом» необходимо пропускать через плазму большие токи, магнитное поле которых сравнимо с внешним тороидальным полем и само уже играет существенную роль в термоизоляции.
Таким образом, в Институте атомной энергии развились исследования импульсных разрядов с большими плазменными токами как в тороидальных камерах, так и в прямых трубах. Другое направление в исследованиях по управляемой термоядерной реакции, не связанное с мощными импульсными разрядами, начало развиваться у нас в институте после того, как Г. И. Будкер в 1953 году предложил, а в 1954 году рассчитал систему с так называемыми магнитными пробками. В дальнейшем такие системы получили название адиабатических ловушек. Применение адиабатических ловушек позволяет в принципе поставить вопрос об осуществлении стационарной термоядерной реакции. Я кратко расскажу именно об этом направлении работ нашего института. Адиабатическая ловушка в простейшем виде представляет собой прямой цилиндр с достаточно большим продольным магнитным полем, резко усиленным на концах цилиндра. Заряженная частица в такой системе будет отражаться от «магнитных пробок», как у нас принято называть области усиленного магнитного поля.
Частица будет колебаться между пробками до тех пор, пока в результате столкновения не изменится соотношение между перпендикулярной и параллельной составляющими ее скорости. Поток частиц в опасный конус существенно зависит от характера столкновений. Мы изучаем способы улучшения запирающего действия пробок, однако и в таком простейшем виде, о котором говорилось выше, система имеет практический интерес, если только по пути не встретятся «подводные камни», о которых я скажу дальше. При практической оценке того или иного метода осуществления термоядерных реакций важно знать полный коэффициент полезного действия, отношение выделяющейся ядерной энергии ко всей энергии, затрачиваемой как на нагрев плазмы, так и на поддержание рабочего режима установки.
Таким образом, в Институте атомной энергии развились исследования импульсных разрядов с большими плазменными токами как в тороидальных камерах, так и в прямых трубах. Другое направление в исследованиях по управляемой термоядерной реакции, не связанное с мощными импульсными разрядами, начало развиваться у нас в институте после того, как Г. И. Будкер в 1953 году предложил, а в 1954 году рассчитал систему с так называемыми магнитными пробками. В дальнейшем такие системы получили название адиабатических ловушек. Применение адиабатических ловушек позволяет в принципе поставить вопрос об осуществлении стационарной термоядерной реакции. Я кратко расскажу именно об этом направлении работ нашего института. Адиабатическая ловушка в простейшем виде представляет собой прямой цилиндр с достаточно большим продольным магнитным полем, резко усиленным на концах цилиндра. Заряженная частица в такой системе будет отражаться от «магнитных пробок», как у нас принято называть области усиленного магнитного поля.
Частица будет колебаться между пробками до тех пор, пока в результате столкновения не изменится соотношение между перпендикулярной и параллельной составляющими ее скорости. Поток частиц в опасный конус существенно зависит от характера столкновений. Мы изучаем способы улучшения запирающего действия пробок, однако и в таком простейшем виде, о котором говорилось выше, система имеет практический интерес, если только по пути не встретятся «подводные камни», о которых я скажу дальше. При практической оценке того или иного метода осуществления термоядерных реакций важно знать полный коэффициент полезного действия, отношение выделяющейся ядерной энергии ко всей энергии, затрачиваемой как на нагрев плазмы, так и на поддержание рабочего режима установки.
Термоядерный реактор Zeta. Великобритания, 1950-е гг.
В Институте атомной энергии рассматривалось несколько способов получения горячей плазмы в адиабатических ловушках, в том числе и способ ее нагрева путем сжатия за счет нарастания магнитного поля и при помощи так называемого магнитного поршня, представляющего собой движущуюся магнитную пробку. Обещающим методом создания горячей плазмы с температурой порядка сотен кэв является инжекция в ловушку ионов, предварительно ускоренных до нужной энергии.
Рассмотрим один из вариантов такой инжекции, при котором захват происходит вследствие развала внутри ловушки инжектированных молекулярных ионов на атомные. Если такой развал произойдет внутри ловушки, радиус кривизны траектории иона уменьшится вдвое, и частица окажется захваченной в ловушке.
В установившемся режиме работы при наличии в ловушке плотной и горячей плазмы потери ионов определяются уходом их через пробки. Развал инжектируемых ионов должен компенсировать эти потери, что не представит, по-видимому, принципиальных трудностей, поскольку длина пробега молекулярного иона до развала на плотной плазме мала, в то время как пробег атомного иона до выхода через пробки очень велик.
Наиболее трудным оказывается этап первоначального накопления ионов. Основным механизмом потери быстрых ионов является на этом этапе их перезарядка на остаточном нейтральном газе. Эти потери очень велики, поскольку сечение перезарядки во много раз превышает эффективное сечение ухода атомной энергии через пробки.
В Институте атомной энергии разрабатываются способы предварительного создания внутри ловушки достаточно сильно ионизованной плазмы, которая, снизив потери из-за перезарядки, обеспечила бы перестройку нейтрального газа в горячую плазму. Однако в ловушке больших размеров при больших инжектируемых ионных токах и высокой энергии инжектируемых частиц возможно накопление атомных ионов путем развала молекулярных ионов на остаточном газе и самих накопленных ионах без каких-либо дополнительных средств. Можно показать, что при токе инжектируемых ионов заданной энергии, превышающем некоторый критический ток — ток перевала, — наступает перестройка газа в полностью ионизованную плазму.
Самая крупная из наших адиабатических ловушек — установка «Огра», разработанная под научным руководством И. Н. Головина, —представляет собой прямую трубу с продольным, постоянным во времени магнитным полем, в которое инжектируются молекулярные ионы Н2+ с энергией до 200 кэВ. Установка рассчитана на выполнение широкой программы физических исследований. Конструирование установки осуществлено Научно-исследовательским институтом электрофизической аппаратуры Главного управления по использованию атомной энергии при Совете министров СССР, вакуумная система была разработана Научно-исследовательским вакуумным институтом, основное оборудование изготовлено на крупном электромашиностроительном заводе Ленинграда.
Рассмотрим один из вариантов такой инжекции, при котором захват происходит вследствие развала внутри ловушки инжектированных молекулярных ионов на атомные. Если такой развал произойдет внутри ловушки, радиус кривизны траектории иона уменьшится вдвое, и частица окажется захваченной в ловушке.
В установившемся режиме работы при наличии в ловушке плотной и горячей плазмы потери ионов определяются уходом их через пробки. Развал инжектируемых ионов должен компенсировать эти потери, что не представит, по-видимому, принципиальных трудностей, поскольку длина пробега молекулярного иона до развала на плотной плазме мала, в то время как пробег атомного иона до выхода через пробки очень велик.
Наиболее трудным оказывается этап первоначального накопления ионов. Основным механизмом потери быстрых ионов является на этом этапе их перезарядка на остаточном нейтральном газе. Эти потери очень велики, поскольку сечение перезарядки во много раз превышает эффективное сечение ухода атомной энергии через пробки.
В Институте атомной энергии разрабатываются способы предварительного создания внутри ловушки достаточно сильно ионизованной плазмы, которая, снизив потери из-за перезарядки, обеспечила бы перестройку нейтрального газа в горячую плазму. Однако в ловушке больших размеров при больших инжектируемых ионных токах и высокой энергии инжектируемых частиц возможно накопление атомных ионов путем развала молекулярных ионов на остаточном газе и самих накопленных ионах без каких-либо дополнительных средств. Можно показать, что при токе инжектируемых ионов заданной энергии, превышающем некоторый критический ток — ток перевала, — наступает перестройка газа в полностью ионизованную плазму.
Самая крупная из наших адиабатических ловушек — установка «Огра», разработанная под научным руководством И. Н. Головина, —представляет собой прямую трубу с продольным, постоянным во времени магнитным полем, в которое инжектируются молекулярные ионы Н2+ с энергией до 200 кэВ. Установка рассчитана на выполнение широкой программы физических исследований. Конструирование установки осуществлено Научно-исследовательским институтом электрофизической аппаратуры Главного управления по использованию атомной энергии при Совете министров СССР, вакуумная система была разработана Научно-исследовательским вакуумным институтом, основное оборудование изготовлено на крупном электромашиностроительном заводе Ленинграда.
Строительная площадка Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР во Франции, 2024 г.
Проект строительной части и вспомогательного оборудования выполнен Государственным проектным институтом АН СССР. Магнитное поле «Огры» создается обмоткой средним диаметром 1,8 метра, состоящей из большого числа отдельных секций, которые позволяют создавать поле различной конфигурации. Расстояние между центрами пробок может быть доведено до 12 метров. Наибольшее поле в пробках 8000 Э, в центре ловушки — 5000 Э. Наибольшая потребляемая обмоткой мощность составляет 4000 кВт. Для изучения влияния азимутального дрейфа на неустойчивости плазмы могут быть созданы периодические усиления и ослабления магнитного поля, позволяющие как увеличивать, так и уменьшать азимутальный дрейф, вызываемый основным нарастанием поля от центра к пробкам. Может быть также создано поле, возрастающее от центра ловушки во всех направлениях.
Я упоминал уже о трудностях, которые могут встретиться на пути к осуществлению термоядерной реакции в адиабатических ловушках. Наибольшие опасения вызывают возможные неустойчивости, связанные с коллективным взаимодействием частиц. До сих по не решенным остается вопрос о микроустойчивости плазмы и о характере диффузии в сильном магнитном поле. Вся теория адиабатических ловушек, о которой я говорил перед этим, построена на предположении о парных столкновениях. Если в плазме возбуждены термодинамические неравновесные колебания, то вместе с резким увеличением поперечной диффузии, как это предположил Бомм, может сильно увеличиться и выход частиц через пробки.
Для адиабатических ловушек большое значение имеет также проблема макроскопической устойчивости. Несмотря на то что к плазме в данном случае не приложено электрическое напряжение, в ней текут токи. Эти токи, получившие название ларморовских токов, определяют равновесие плазмы. Априори нет основания утверждать, что это равновесие устойчиво. Наоборот, в ряде теоретических работ показано, что при определенных условиях равновесие плазмы становится неустойчивым.
В Институте атомной энергии внимательно рассмотрена неустойчивость плазмы типа Розенблюта и Лонгмайера. Наш теоретик Р. 3. Сагдеев обнаружил и исследовал еще один вид неустойчивости, обусловленный анизотропией давления плазмы в ловушке. Необходимость применения в ловушках очень высоких температур заставила нас вновь обратиться к исследованию влияния на режим работы реактора электромагнитного излучения плазмы, связанного с вращением электронов в магнитном поле. В нерелятивистском приближении это излучение заперто и практически не уносит энергию из плазмы.
Как показано в работе сотрудника Института атомной энергии Б. А. Трубникова, вследствие релятивистских эффектов это излучение резко возрастает и может привести к значительным трудностям при попытке осуществления самоподдерживающейся реакции.
Несмотря на наличие всех этих трудностей и несмотря на то, что многие вопросы пока еще теоретически не решены, мы считаем необходимым проводить самый широкий круг экспериментальных работ в этом направлении, включая сооружение таких крупных экспериментальных установок, как «Огра». Не делая этого, мы напоминали бы, пользуясь образным сравнением Гегеля, того софиста, который утверждал, что он не войдет в воду, пока не научится плавать.
Я упоминал уже о трудностях, которые могут встретиться на пути к осуществлению термоядерной реакции в адиабатических ловушках. Наибольшие опасения вызывают возможные неустойчивости, связанные с коллективным взаимодействием частиц. До сих по не решенным остается вопрос о микроустойчивости плазмы и о характере диффузии в сильном магнитном поле. Вся теория адиабатических ловушек, о которой я говорил перед этим, построена на предположении о парных столкновениях. Если в плазме возбуждены термодинамические неравновесные колебания, то вместе с резким увеличением поперечной диффузии, как это предположил Бомм, может сильно увеличиться и выход частиц через пробки.
Для адиабатических ловушек большое значение имеет также проблема макроскопической устойчивости. Несмотря на то что к плазме в данном случае не приложено электрическое напряжение, в ней текут токи. Эти токи, получившие название ларморовских токов, определяют равновесие плазмы. Априори нет основания утверждать, что это равновесие устойчиво. Наоборот, в ряде теоретических работ показано, что при определенных условиях равновесие плазмы становится неустойчивым.
В Институте атомной энергии внимательно рассмотрена неустойчивость плазмы типа Розенблюта и Лонгмайера. Наш теоретик Р. 3. Сагдеев обнаружил и исследовал еще один вид неустойчивости, обусловленный анизотропией давления плазмы в ловушке. Необходимость применения в ловушках очень высоких температур заставила нас вновь обратиться к исследованию влияния на режим работы реактора электромагнитного излучения плазмы, связанного с вращением электронов в магнитном поле. В нерелятивистском приближении это излучение заперто и практически не уносит энергию из плазмы.
Как показано в работе сотрудника Института атомной энергии Б. А. Трубникова, вследствие релятивистских эффектов это излучение резко возрастает и может привести к значительным трудностям при попытке осуществления самоподдерживающейся реакции.
Несмотря на наличие всех этих трудностей и несмотря на то, что многие вопросы пока еще теоретически не решены, мы считаем необходимым проводить самый широкий круг экспериментальных работ в этом направлении, включая сооружение таких крупных экспериментальных установок, как «Огра». Не делая этого, мы напоминали бы, пользуясь образным сравнением Гегеля, того софиста, который утверждал, что он не войдет в воду, пока не научится плавать.
Комментарии экспертов
Анатолий Красильников
директор частного учреждения «ИТЭР-Центр»
— Начиная с 1950‑х годов у нас в стране развивались два направления разработки термоядерных реакторов: тороидальные камеры и адиабатические ловушки. Это подробно описано в статье Игоря Курчатова. Позже, по предложению Игоря Тамма и Андрея Сахарова, в качестве «сердца» термоядерного реактора был выбран токамак. (Такое название предложил физик Игорь Головин. Это сокращение от словосочетаний «тороидальная камера» и «магнитная катушка»). Магнитная ловушка устроена так, что плазма заключена в «бублик» и удерживается в нем.
Параллельно начались работы по открытым — то есть не замкнутым, а прямым — системам (или пробочным ловушкам). На торцах этих систем магнитное поле выше, чем в центре плазмы. Из ловушки может вылететь только небольшая группа ионов, имеющих высокую продольную и маленькую поперечную скорость, попав в так называемый конус потерь. Ионы, имеющие высокую поперечную скорость, отражаются от магнитных пробок и удерживаются в системе.
Оба этих направления развиваются и в настоящее время. В частности, в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН ученые под руководством Петра Багрянского работают с установками, на которых оптимизируется удержание плазмы в открытых ловушках. У этого направления есть реакторные перспективы. Кроме того, на базе этих ловушек можно создать объемный источник нейтронов. В мире эта технология рассматривается как одно из направлений развития конфигурации магнитного поля для термоядерного реактора.
Почему технология с токамаками более востребована? В системе с тороидально замкнутыми поверхностями удалось достичь более высоких ключевых плазменных параметров. В термоядерных реакторах очень важно так называемое тройное произведение — плотности на температуру и на время удержания энергии плазмы. Это произведение в токамаке на несколько порядков выше, чем в открытой ловушке. Именно оно определяет эффективность магнитной конфигурации для создания будущего термоядерного реактора.
Физики продолжают искать технические решения, которые позволят увеличить время удержания частиц и энергии в открытой ловушке. Но сегодня токамаки существенно эффективнее, поэтому экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР строится в этой конфигурации.
И. В. Курчатов пишет, что создание термоядерного реактора — вопрос ближайшего времени. Однако оказалось, что построить ядерный реактор намного проще. Почему? По мере увеличения температуры плазмы (как в токамаках, так и в открытых ловушках) развивались всё новые и новые неустойчивости, и понадобились новые технические решения для того, чтобы их нивелировать. В 1950‑х годах были известны лишь некоторые неустойчивости, Игорь Васильевич их упоминает и говорит о необходимости их изучения.
Создание термоядерного реактора — невероятно сложная задача. Температура плазмы там будет в 10 раз выше, чем на Солнце. А ведь у Солнца огромная масса, которая благодаря гравитации удерживает плазму, не дает ей разлететься. Нам же нужно построить реактор, в котором удержание плазмы обеспечивалось бы не гравитацией, а магнитным полем.
Переход в современных токамаках к температурам в 300 млн °C привел к появлению совершенно новых физических явлений. И в будущем неизбежно возникнут новые проблемы, которые придется экспериментально изучать. Для этого и строится ИТЭР.
Тем не менее уже 70 лет назад Игорь Васильевич видел уникальные перспективы термоядерных реакторов. Такой пример научного предвидения не может не восхищать.
Сегодня термоядерные исследования — открытая область науки. Для прогресса здесь принципиально важно, чтобы ученые со всего мира делились своими открытиями. И начало широкому научному взаимодействию положил Игорь Васильевич, рассекретив советские разработки по термоядерной тематике. Сегодня ученые многих стран совместно работают над созданием экспериментального термоядерного реактора ИТЭР и демонстрационных термоядерных реакторов ДЕМО, решая общие для всего человечества задачи.
Параллельно начались работы по открытым — то есть не замкнутым, а прямым — системам (или пробочным ловушкам). На торцах этих систем магнитное поле выше, чем в центре плазмы. Из ловушки может вылететь только небольшая группа ионов, имеющих высокую продольную и маленькую поперечную скорость, попав в так называемый конус потерь. Ионы, имеющие высокую поперечную скорость, отражаются от магнитных пробок и удерживаются в системе.
Оба этих направления развиваются и в настоящее время. В частности, в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН ученые под руководством Петра Багрянского работают с установками, на которых оптимизируется удержание плазмы в открытых ловушках. У этого направления есть реакторные перспективы. Кроме того, на базе этих ловушек можно создать объемный источник нейтронов. В мире эта технология рассматривается как одно из направлений развития конфигурации магнитного поля для термоядерного реактора.
Почему технология с токамаками более востребована? В системе с тороидально замкнутыми поверхностями удалось достичь более высоких ключевых плазменных параметров. В термоядерных реакторах очень важно так называемое тройное произведение — плотности на температуру и на время удержания энергии плазмы. Это произведение в токамаке на несколько порядков выше, чем в открытой ловушке. Именно оно определяет эффективность магнитной конфигурации для создания будущего термоядерного реактора.
Физики продолжают искать технические решения, которые позволят увеличить время удержания частиц и энергии в открытой ловушке. Но сегодня токамаки существенно эффективнее, поэтому экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР строится в этой конфигурации.
И. В. Курчатов пишет, что создание термоядерного реактора — вопрос ближайшего времени. Однако оказалось, что построить ядерный реактор намного проще. Почему? По мере увеличения температуры плазмы (как в токамаках, так и в открытых ловушках) развивались всё новые и новые неустойчивости, и понадобились новые технические решения для того, чтобы их нивелировать. В 1950‑х годах были известны лишь некоторые неустойчивости, Игорь Васильевич их упоминает и говорит о необходимости их изучения.
Создание термоядерного реактора — невероятно сложная задача. Температура плазмы там будет в 10 раз выше, чем на Солнце. А ведь у Солнца огромная масса, которая благодаря гравитации удерживает плазму, не дает ей разлететься. Нам же нужно построить реактор, в котором удержание плазмы обеспечивалось бы не гравитацией, а магнитным полем.
Переход в современных токамаках к температурам в 300 млн °C привел к появлению совершенно новых физических явлений. И в будущем неизбежно возникнут новые проблемы, которые придется экспериментально изучать. Для этого и строится ИТЭР.
Тем не менее уже 70 лет назад Игорь Васильевич видел уникальные перспективы термоядерных реакторов. Такой пример научного предвидения не может не восхищать.
Сегодня термоядерные исследования — открытая область науки. Для прогресса здесь принципиально важно, чтобы ученые со всего мира делились своими открытиями. И начало широкому научному взаимодействию положил Игорь Васильевич, рассекретив советские разработки по термоядерной тематике. Сегодня ученые многих стран совместно работают над созданием экспериментального термоядерного реактора ИТЭР и демонстрационных термоядерных реакторов ДЕМО, решая общие для всего человечества задачи.
Петр Багрянский
заместитель по научной работе директора Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН
— Я включился в работу над адиабатическими (или открытыми) ловушками в 1980‑х годах. Тогда это направление активно развивалось во всем мире. В простейшем виде открытая ловушка позволяет иметь коэффициент усиления термоядерной мощности не существенно выше единицы. Этот вывод сделан независимо, на основе теоретического анализа, в пионерских работах Герша Ицковича Будкера в СССР и Ричарда Поста в США.
Главная проблема ловушек открытого типа в том, что горячая плазма в них, в отличие от токамаков, имеет прямой контакт вдоль силовых линий магнитного поля с относительно холодными поверхностями поглотителей плазмы, расположенных за магнитными пробками. Это приводит к потерям энергии за счет достаточно высокого уровня теплопроводности плазмы и к низким значениям коэффициента усиления термоядерной мощности, ожидаемым в реакторах ядерного синтеза на основе ловушек открытого типа. Предлагались различные пути решения проблемы ограничения теплопроводности, но кардинальный путь не был экспериментально продемонстрирован.
За физические процессы, определяющие теплопроводность плазмы вдоль магнитного поля, ответственны в основном электроны, поскольку они обладают много меньшей массой по сравнению с ионами и, соответственно, много большей скоростью и подвижностью при сравнимых температурах. По этой причине основным индикатором успешности мер по ограничению продольной теплопроводности в ловушках открытого типа считается температура электронов, которая в наиболее продвинутых экспериментах, например, в Ливерморской лаборатории США, не превышала 300 электронвольт. В то же время электронная температура в токамаках достигала десятка килоэлектронвольт.
В силу указанного обстоятельства в конце 1980‑х годов работы по этому направлению почти во всех странах были свернуты.
Но мы продолжали заниматься открытыми ловушками, детально разобрались с физическими процессами определяющими продольную теплопроводность, использовали полученные знания для ее минимизации и в сотрудничестве с коллегами из Института прикладной физики РАН продемонстрировали нагрев электронов до величин, интересных с точки зрения приложений ядерного синтеза.
Сейчас в мире интерес к этому направлению возрождается: несколько установок на базе открытых ловушек построили в США, недавно подобный проект появился в Швеции. В основном эти работы ведутся частными компаниями. У нас в институте также есть четыре относительно небольшие экспериментальные установки, на которых мы изучаем ключевые вопросы физики удержания плазмы в открытых системах.
В открытых ловушках можно удерживать плазму с максимальной экономией магнитного поля: давление плазмы приближается к эффективному давлению магнитного поля. Например, на установке «Газодинамическая ловушка» (ГДЛ, ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН, Новосибирск) продемонстрированы режимы удержания плазмы с относительным давлением (отношение давления плазмы к эффективному давлению поля), превышающим 50 % (для сравнения, в классическом токамаке — всего несколько процентов). Таким образом, термоядерный реактор на базе открытой ловушки будет гораздо более компактным, чем на базе токамака.
Еще одно преимущество открытых ловушек в том, что в них можно использовать альтернативные виды топлива, например, не дейтерий-тритий, а дейтерий-дейтерий. Для сравнения: из дейтерия, содержащегося в литре воды, при термоядерной реакции можно получить энергию, эквивалентную энергии, выделяющейся при сжигании одного барреля нефти. Если освоить подобные термоядерные технологии, то проблема производства энергии будет решена глобально.
Предсказать, когда может быть создан термоядерный реактор на базе открытой ловушки, довольно сложно. Мы — научные разведчики. Мы последовательно решаем проблемы, связанные с устойчивостью плазмы, с теплопроводностью, разрабатываем методики и технологии. Кроме того, строительство термоядерного реактора требует масштабных инвестиций. Но на волне возрождения интереса к теме открытых ловушек есть надежда, что через несколько десятков лет эта технология будет реализована «в железе».
Главная проблема ловушек открытого типа в том, что горячая плазма в них, в отличие от токамаков, имеет прямой контакт вдоль силовых линий магнитного поля с относительно холодными поверхностями поглотителей плазмы, расположенных за магнитными пробками. Это приводит к потерям энергии за счет достаточно высокого уровня теплопроводности плазмы и к низким значениям коэффициента усиления термоядерной мощности, ожидаемым в реакторах ядерного синтеза на основе ловушек открытого типа. Предлагались различные пути решения проблемы ограничения теплопроводности, но кардинальный путь не был экспериментально продемонстрирован.
За физические процессы, определяющие теплопроводность плазмы вдоль магнитного поля, ответственны в основном электроны, поскольку они обладают много меньшей массой по сравнению с ионами и, соответственно, много большей скоростью и подвижностью при сравнимых температурах. По этой причине основным индикатором успешности мер по ограничению продольной теплопроводности в ловушках открытого типа считается температура электронов, которая в наиболее продвинутых экспериментах, например, в Ливерморской лаборатории США, не превышала 300 электронвольт. В то же время электронная температура в токамаках достигала десятка килоэлектронвольт.
В силу указанного обстоятельства в конце 1980‑х годов работы по этому направлению почти во всех странах были свернуты.
Но мы продолжали заниматься открытыми ловушками, детально разобрались с физическими процессами определяющими продольную теплопроводность, использовали полученные знания для ее минимизации и в сотрудничестве с коллегами из Института прикладной физики РАН продемонстрировали нагрев электронов до величин, интересных с точки зрения приложений ядерного синтеза.
Сейчас в мире интерес к этому направлению возрождается: несколько установок на базе открытых ловушек построили в США, недавно подобный проект появился в Швеции. В основном эти работы ведутся частными компаниями. У нас в институте также есть четыре относительно небольшие экспериментальные установки, на которых мы изучаем ключевые вопросы физики удержания плазмы в открытых системах.
В открытых ловушках можно удерживать плазму с максимальной экономией магнитного поля: давление плазмы приближается к эффективному давлению магнитного поля. Например, на установке «Газодинамическая ловушка» (ГДЛ, ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН, Новосибирск) продемонстрированы режимы удержания плазмы с относительным давлением (отношение давления плазмы к эффективному давлению поля), превышающим 50 % (для сравнения, в классическом токамаке — всего несколько процентов). Таким образом, термоядерный реактор на базе открытой ловушки будет гораздо более компактным, чем на базе токамака.
Еще одно преимущество открытых ловушек в том, что в них можно использовать альтернативные виды топлива, например, не дейтерий-тритий, а дейтерий-дейтерий. Для сравнения: из дейтерия, содержащегося в литре воды, при термоядерной реакции можно получить энергию, эквивалентную энергии, выделяющейся при сжигании одного барреля нефти. Если освоить подобные термоядерные технологии, то проблема производства энергии будет решена глобально.
Предсказать, когда может быть создан термоядерный реактор на базе открытой ловушки, довольно сложно. Мы — научные разведчики. Мы последовательно решаем проблемы, связанные с устойчивостью плазмы, с теплопроводностью, разрабатываем методики и технологии. Кроме того, строительство термоядерного реактора требует масштабных инвестиций. Но на волне возрождения интереса к теме открытых ловушек есть надежда, что через несколько десятков лет эта технология будет реализована «в железе».
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ