Троицкая пятерка
Современные термоядерные проекты ГНЦ РФ ТРИНИТИ
Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) — один из ключевых научных центров в области магнитного удержания плазмы и инерциального термоядерного синтеза. Перед вами пять самых ярких проектов ученых из Троицка по версии «Вестника атомпрома».
1. Под защитой лития
Троицкий токамак Т-11М — одна их трех действующих установок магнитного удержания плазмы в стране. Установка небольшая, параметры по современным меркам скромные: ток в плазме 0,1 МА, температура плазмы 400–600 эВ, плотность плазмы 7 х 1013 см3. Эти параметры обеспечивают возможность исследования взаимодействия плазмы с первой стенкой токамака.
На токамаке отрабатывают технологии для перспективных термоядерных установок. Ведутся исследования ионно-циклотронного нагрева плазмы, изучение динамики срыва разряда, отработка новых диагностик плазмы, исследования материалов первой стенки и разработка методов ее защиты.
В частности, на Т-11М разрабатывают жидкую литиевую защиту для токамаков. Одна из самых сложных проблем при попытках создания термоядерного реактора — проблема первой стенки, которая взаимодействует с плазмой. В международном проекте токамака ИТЭР ставка сделана на максимально термостойкий материал — вольфрам. На более отдаленную перспективу ученые придумали защищать наиболее нагруженные элементы стенки слоем жидкого или газообразного лития, таким образом купируя приходящие из плазмы потоки частиц, снижая тепловую нагрузку на стенку.
В 2022 году ученым ГНЦ РФ ТРИНИТИ удалось осуществить внешнюю дозаправку эмиттерной системы Т‑11М литием без нарушения вакуумных условий в рабочей камере. Это результат мирового уровня. До конца 2024 года планируется разработать и испытать полный набор систем и технологий литиевой защиты первой стенки термоядерного реактора. В частности, будут созданы и испытаны перспективные устройства и технологии для токамака: лимитер, коллектор, инжектор, элемент литиевого дивертора. Эти литиевые устройства и технологии смогут работать в квазистационарном режиме (более 10 с) при тепловой нагрузке до 10 МВт/м2 с внешней подпиткой литием.
2. На пути к промышленному реактору
К 2030 году в ГНЦ РФ ТРИНИТИ хотят создать экспериментальную установку управляемого термоядерного синтеза нового поколения — токамак с реакторными технологиями (ТРТ). ТРТ должен стать ключевым шагом на пути к коммерческой термоядерной энергетике. Он призван совместить уже имеющиеся достижения в удержании высокотемпературной плазмы с практической отработкой технологий, необходимых для создания энергетического термоядерного реактора.
ТРТ нужен для исследований квазистационарных физических процессов в обоснование опытного термоядерного реактора, изучения поведения плазмы в режимах, близких к зажиганию, отработки различных методов дополнительного нагрева плазмы, разработки диагностик в больших нейтронных потоках. Сейчас идет эскизное проектирование ТРТ и его элементов: вакуумной камеры, магнитной системы, оболочки криостата и т. д.
Токамак будет буквально напичкан новациями. Магнитную систему хотят целиком сделать из высокотемпературного сверхпроводника второго поколения. Такие сверхпроводники способны работать в очень сильных электромагнитных полях. По этому показателю оборудование для ТРТ будет превосходить даже те устройства, которые уже созданы для международного проекта термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. Если индукция магнитного поля ИТЭР будет составлять около 5,3 Тл, то в ТРТ этот показатель дойдет уже до 8 Тл. При этом российская установка будет более компактной и, соответственно, более дешевой.
Плазма в ТРТ сможет разогреваться до температур, рекордных для токамаков таких размеров. Для этого российскую установку оснастят высокоэффективными гиротронами (источниками мощного СВЧ-излучения) мегаваттного диапазона, разрабатываемыми в Институте прикладной физики РАН. Их частота составит 220 ГГц, что соответствует тороидальному магнитному полю токамака. В ИТЭР применяются гиротроны на 170 ГГц. А также оснастят системами дополнительного нагрева в виде нейтральной инжекции и ИЦР (система ионно-циклотронного нагрева).
Первую стенку ТРТ планируется обеспечить литиевой защитой, будет реализована возможность широкого управления профилями параметров плазменного шнура.
Параллельно в ГНЦ РФ ТРИНИТИ готовят площадку под строительство. Новую установку построят на базе комплекса ТСП (токамак с сильным полем), сооруженного в 1980-х годах. Комплекс включает четыре ударных генератора с маховиками — их решено не менять, а модернизировать и использовать как один из вариантов источника питания будущего токамака. Первый этап реконструкции ТСП планируется завершить к концу этого года.
3. Инерциальный вариант
Высока вероятность того, что первый коммерческий термоядерный реактор будет токамаком — это наиболее проработанная концепция. Однако ряд ученых делают ставку на инерциальный, в частности лазерный, термоядерный синтез (ЛТС). Принцип ЛТС — в поджиге (микровзрыве) путем обжатия лазерным излучением термоядерной мишени за время, меньшее времени ее разлета. ГНЦ РФ ТРИНИТИ совместно с РФЯЦ-ВНИИЭФ разрабатывают макет модуля драйвера для лазерного термоядерного синтеза.
Создан стенд для изучения физических процессов и явлений, возникающих при диодной накачке и активном газовом криогенном охлаждении. Это уникальный инструмент, позволяющий моделировать и испытывать сложные лазерные схемы и отрабатывать различные подсистемы: установки криогенного охлаждения, удаленной диодной накачки и др. Все комплектующие стенда — российского производства, при этом он не уступает лучшим мировым аналогам. Один из экспериментов на стенде в 2021 году дал неожиданный результат: ученые смогли усилить лазерный импульс до значений, существенно превышающих ожидаемые. К концу 2024 года институт должен представить экспериментальные образцы усилительного модуля килоджоульного класса, способного работать на частоте 10 Гц, с диодной накачкой и системой криогенного охлаждения.
В ГНЦ РФ ТРИНИТИ функционирует один из крупнейших в мире генераторов сверхмощных (до 12 ТВт) электрических импульсов — экспериментальный электрофизический мегаамперный комплекс «Ангара-5-1». Он был введен в эксплуатацию еще в 1984 году, но до сих пор остается важной экспериментальной установкой для исследования физики быстрых самосжатых разрядов сверхтераваттной мощности, динамики излучающей плазмы многозарядных ионов, проблем инерциального управляемого синтеза.
4. Проверка плазмой
Для испытаний конструкционных материалов и отдельных элементов перспективных термоядерных реакторов в ГНЦ РФ ТРИНИТИ создают источник термоядерных нейтронов мегаэлектронвольтного диапазона. Основа установки — два плазменных ускорителя, стреляющие сгустками плазмы навстречу друг другу. В результате столкновения происходят реакции ядерного синтеза с выходом высокоэнергетичных нейтронов.
В рамках проекта создан новый мощный импульсный ускоритель плазмы, конденсаторный накопитель для его питания, а также комплекс плазменной диагностики. Разработан экспериментальный образец мощного источника нейтронов. Также созданы экспериментальный стенд для измерений параметров плазменных сгустков, генерируемых лабораторным образцом плазменного ускорителя, и комплекс диагностических средств.
5. Плазма в космосе
К 2024 году ГНЦ РФ ТРИНИТИ планирует создать лабораторный прототип ракетного двигателя на базе квазистационарного плазменного ускорителя с собственным магнитным полем. Космические корабли с такими двигателями будут осваивать дальний космос.
Современные ракеты летают на химических двигателях, требующих больших объемов топлива. Дальние космические перелеты с их помощью практически невозможны — потребуются большие запасы горючего. Проблему решит плазменный двигатель, обладающий существенно более высоким удельным импульсом и требующий меньших объемов топлива.
Сейчас плазменные двигатели применяются исключительно для маневрирования: они слишком маленькие и недостаточно мощные для того, чтобы использоваться в качестве маршевых. Для решения этой проблемы в НИЦ «Курчатовский институт», ГНЦ РФ ТРИНИТИ и ГНЦ «Центр Келдыша» разрабатывают электрореактивные двигатели на базе плазменных технологий.
Курчатовский институт отвечает за разработку мощного безэлектродного плазменного ракетного двигателя. В ГНЦ «Центр Келдыша» создают модули электрореактивного ракетного аппарата на базе холловского и ионного двигателей нового поколения. А в ГНЦ РФ ТРИНИТИ — прототип плазменного ракетного двигателя с повышенными параметрами тяги и удельного импульса на базе магнитоплазменного ускорителя, позволяющего эффективно использовать мощность источника энергии. В 2021 году на квазистационарном плазменном ускорителе в ГНЦ РФ ТРИНИТИ разработчики продемонстрировали удельный импульс выше 100 км/с для водородной плазмы в режиме однократных импульсов. При переходе в частотный режим работы прототип плазменного ракетного двигателя на базе магнитоплазменного ускорителя будет иметь тяговую мощность в 300 кВт при КПД выше 60%.
