Между пеклом и стужей
ИТЭР – уникальный международный проект, цель которого вывести науку и энергетику на следующую ступень: обеспечить человечеству новый источник энергии, основанный на термоядерном синтезе. Однако это не единственная подобная установка. Какие еще существуют проекты, исследующие возможности получения термоядерной энергии, могут ли они составить конкуренцию ИТЭР, а также о роли России в этом проекте на ХVII Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» рассказали директор российского агентства ИТЭР Анатолий Красильников и гендиректор Троицкого института термоядерных и инновационных исследований Владимир Черковец.
Основная миссия проекта ИТЭР – продемонстрировать возможность использования термоядерной энергии в мирных целях и изучить особенности протекания длительного термоядерного горения в замкнутой магнитной конфигурации – токамаке. Такой сложной задачи перед человечеством еще никогда не стояло. Часто, говоря об ИТЭР, используют выражение «Зажечь солнце на Земле». На самом деле это не совсем так. Ведь температура в плазме будет достигать 300 млн градусов, что более чем в 15 раз выше, чем в солнечном ядре! При этом температура на обмотке тороидального поля должна быть всего 4 кельвина – это практически абсолютный ноль, рассказывает Анатолий Красильников. В результате самая горячая точка нашей галактики, созданная рукотворно, будет находиться всего лишь в 3 метрах от самой холодной галактической точки! И такое экстремальное соседство должно сохраняться в течение 1000 секунд. Чтобы обеспечить подобные условия, необходимы сложнейшие инженерные системы и высокотехнологичные материалы, разрабатываемые и производимые в тесной кооперации ведущими странами мира.
Чем ИТЭР похож на МКС?
ИТЭР – проект в очень многих аспектах уникальный, первый и единственный в своем роде, он по-настоящему международный и вовлекает в себя множество участников со всего мира. Иногда бывает так, что определенные компоненты создаются не одной страной, а несколькими. И международной команде приходится соблюдать не только законодательство Франции, где строится машина, но и согласовывать его с законодательствами стран-поставщиков. Порой это бывает совсем не просто. Часто международный проект ИТЭР сравнивают с международной космической станцией – МКС. Однако схожесть этих проектов поверхностна, отмечает Красильников. МКС – это некая единая платформа, на которой подвешены разные отдельные блоки, взаимодополняющие, но в существенной мере независимые. Европейские, американские, российские. В то время как в системе, создаваемой в Кадараше, недопустима сепаратная, отдельная деятельность, все компоненты должны быть взаимосвязаны между собой, составляя единое целое. Проект ИТЭР – классическая демонстрация взаимодействия разных и по науке, и по культуре, и по экономике стран, работающих вместе. Это потрясающий пример того, как можно решать сообща одну общую задачу.
Тем не менее ИТЭР не единственный проект по созданию управляемой реакции термоядерного синтеза. И в России, и за рубежом разрабатываются методы, отличные от технологии ИТЭР. По словам Владимира Черковца, существуют различные варианты инерциального термоядерного синтеза – лазерный и со сжатием замагниченных мишеней. Это промежуточный вариант, при котором нужно терпеливо выдерживать совершенно контрастные условия. Это не 1000 секунд и не как в бомбе, а наносекунды, микросекунды, миллисекунды в термоядерном синтезе со сжатием замагниченных мишеней. Такими процессами занимаются и у нас в стране, и за рубежом.
«А вот какие еще используют токамаки? Есть токамаки Т-10 и Т-15, который сейчас реконструируется и будет называться Т-15МД. Токамак Т-11М (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) используется как раз для решения задачи соединения «льда и пламени» в одном приборе, с помощью литиевых оболочек. Это совершенно фантастический способ: в одном месте литий испаряется, в другом конденсируется – получается очень эффективный теплообмен и теплоотвод», – продолжает Черковец. В Санкт-Петербурге в Физтехе тоже работают несколько небольших токамаков. Вообще база токамаков в России развита достаточно хорошо, и сегодня у нас создается национальная программа по термояду, над которой работают Росатом и Курчатовский институт. Концепция программы предусматривает создание новых токамаков. В других странах также есть мощные аналоги ИТЭР. «Однако по состоянию на сегодняшний день, если мы говорим о создании солнца на Земле, то у ИТЭР конкурентов нет, – уверен Анатолий Красильников. – Это самый крупный, самый продвинутый, самый технологически обеспеченный проект.
Конечно, в газетах и журналах мы можем прочесть о других концепциях управляемого термоядерного синтеза, но они сейчас на значительно более ранней стадии развития. Необходимо помнить, что не один, а многие предшественники ИТЭР – токамаки – действительно уже создавали реальную термоядерную энергию. Это важно для понимания того, что наши задачи и перспективы ИТЭР четко и внятно определены, нам при помощи ИТЭР надо сделать шаг вперед и получить более эффективный результат». Предшественники ИТЭР уже достигли существенного уровня генерации термоядерной мощности. Токамак TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) в Принстоне в США получил 11 мегаватт термоядерной мощности.
Отношение термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы (коэффициент Q) составило 25%. На токамаке JET (Joint European Torus) – получено 16,7 мегаватта, это примерно 67% термоядерной мощности по отношению к затратам на нагрев. На токамаке JT-60U в Японии получено 100% термоядерной мощности по отношению к затратам на создание и удержание плазмы. Таким образом, на трех крупнейших в мире токамаках уже получили величины Q, близкие к единице. «Однако ИТЭР – это качественно новый уровень, – подчеркивает Красильников. – В этой установке отношение термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы должно составить 10! Поэтому ИТЭР – это рост в 10 раз. Это большой шаг, но он делается с предыдущей ступени. Не с нуля, это не фантазия ученых. Это реальный инженерный и физический расчет».
Вклад в будущее под 9%
Существуют различные конфигурации удерживающего плазму магнитного поля, в которых учёные пытаются реализовать термояд, например стеллораторы или открытые ловушки. На них получены хорошие результаты. Однако эти направления новые и для их разработки потребуется не один десяток лет. Хотя, с учетом современного знания физики плазмы, нельзя исключать получение положительных результатов на этих установках, считает глава агентства, подчеркивая при этом, что активное распространение токамаков началось с 1968 года. С этого года было решено множество инженерных задач, связанных с работой токамаков, и это своего рода аванс, который уже есть у этой технологии. Аванс, заработанный большим трудом, и для любой другой термоядерной системы все равно придется пройти такой же путь. Поэтому ИТЭР на данный момент имеет явный приоритет. Любые возникающие национальные программы, другие типы термоядерных установок все равно остаются в положении догоняющих.
Тем не менее важно, чтобы Россия не просто создавала оборудование для ИТЭР и поставляла его вовремя. «Но еще более важно, чтобы у нас были ученые, которые способны на этой установке работать, – убежден Красильников. – Ведь Россия за 9% вклада юридически имеет возможность получить 100% информации, которая будет сгенерирована в проекте ИТЭР. Но эту юридическую возможность нужно обеспечить фактически. Это можно сделать только тогда, когда у вас есть люди, которые способны наработанные знания воспринять и принести в Россию. То есть русские специалисты, способные там работать и принести эти ноу-хау разработки в Россию, чтобы реализовать на нашей национальной почве следующий шаг в термоядерных исследованиях или в термоядерном реакторостроении. Поэтому, когда мы вносим 9% вклада, то естественно было бы, чтобы по крайней мере 9% нашего персонала там работало». Кстати, сегодня в Международной организации ИТЭР в Кадараше работает 4,6% российских специалистов, а это, увы, в два раза меньше. Причина в отсутствии в России внутренней программы термоядерных исследований. Конкурс на каждую рабочую вакансию в Международной организации ИТЭР составляет 30 человек на место. В США, Европе, Японии, Китае есть свои внутренние программы, есть установки, на которых молодежь растет, становится профессионалами и выходит на этот конкурс. «А когда в стране нет национальной программы, для молодежи ограничены возможности профессионального роста, то у них ограниченные возможности выигрывать этот конкурс – все взаимосвязано, – констатирует Красильников. – Чтобы нам полноценно участвовать в ИТЭР и обеспечить получение знаний из ИТЭР назад в страну, благодаря документам, подписанным при создании ИТЭР, мы должны обеспечить систему подготовки кадров». Это должно быть сделано фундаментально, серьезно, через внутреннюю программу развития термоядерных исследований. Помимо этого необходимо создать систему подготовки кадров между Россией и Международной организацией ИТЭР.
«Несколько дней назад мы с гендиректором ИТЭР Бернаром Биго, который озабочен этими вопросами, обсуждали возможность для студентов проходить преддипломную практику на ИТЭР, когда у студента есть шеф (научный руководитель) в России и международная организация готова предоставить второго шефа в организации ИТЭР». Аспиранты также могут стать элементами этой системы. Специалисты, которые только что защитили диссертации, тоже должны иметь возможность практиковаться, работая на ИТЭР. Поэтому для полноценного получения знаний и опыта от участия в проекте ИТЭР России прежде всего нужна внутренняя программа термоядерных исследований.
