От физики к технологиям
Решения, которые появляются в работах по УТС, могут быть востребованы в самых разных областях
Сергей Коновалов возглавляет отдел теории плазмы Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий. «Вестник атомпрома» обсудил с ученым будущее термояда, последние успешные эксперименты в области управляемого термоядерного синтеза, конкуренцию государств в этой области и успешность частных инвестиций.
— Сергей Владимирович, любые разговоры о будущем термоядерной энергетики наталкиваются на предсказуемый скепсис: мол, «еще через 20 или 30 лет». Тем не менее одна из главных научных новостей прошлого года — про то, как ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса добились чистого прироста энергии в реакции термоядерного синтеза и смогли получить ее более высокий выход. Как вы относитесь к результатам эксперимента?
— Это действительно серьезное достижение. Но этот способ осуществления реакции синтеза вряд ли представляет интерес в смысле энергетики будущего. Их лазерный комплекс обеспечивает не более одного «выстрела» в сутки. При таком способе происходит сжатие очень маленькой сферической мишени с радиусом около 1–2 мм и массой около нескольких миллиграммов. Стоит где-то передавить, и вместо сжатой мишени будет «плевок» куда-то в сторону, больше ничего.
— То есть токамаки остаются более перспективной технологией на исследовательском уровне?
— Давайте считать. Самое большое превышение выработанной энергии над подведенной было, по-видимому, на JET (Joint European Torus — Объединенный европейский токамак), это чуть меньше единички. В рекордном разряде JET в прошлом году было выработано порядка 69 МДж за импульс длительностью около 5 секунд. Количество термоядерной энергии, выделенной в разряде JET, превышает результат Ливерморской лаборатории.
Нужно также отметить, что в оценке КПД термоядерного устройства используется сравнение мощности, введенной в плазму (в случае токамака) или в мишень (в лазерном эксперименте Ливерморской лаборатории), с произведенной мощностью реакций синтеза. Но реально мощности, затрачиваемые на создание условий зажигания термоядерных реакций, значительно превышают указанную введенную мощность. Если мы посмотрим на ИТЭР, то там только системы охлаждения требуют примерно 35 МВт от сети. А к этому еще добавляются системы дополнительного нагрева, генерации тока и многие другие. Для ливерморского эксперимента КПД лазеров находится на уровне нескольких процентов, так что здесь ситуация, по-видимому, еще более напряженная. Чтобы устройство было энергетически выгодным, вот это превышение термоядерной мощности над подведенной должно быть 50-кратным и выше. С точки зрения физики эта проблема решаема, а вот технических проблем слишком много. В ИТЭР практически каждая из систем — на грани существующих технологий или за гранью. И хотя степень проработки технических решений по ключевым системам ИТЭР, с моей точки зрения, гарантирует в конечном итоге успех и осуществление основных миссий проекта, сколько времени займет ввод в эксплуатацию и выход на реакторные режимы столь сложной машины с многопараметрическим управлением, сейчас сказать трудно.
— Если говорить о неофициальном международном соревновании в области технологий управляемого термоядерного синтеза, можно ли сегодня предполагать, какая страна сможет добиться необходимых результатов быстрее всего?
— Знаете, 10 лет назад я бы удивился своим словам, но сейчас могу точно утверждать, что Китай вырывается вперед с космической скоростью. И тут вопрос не только в деньгах, а еще и в том, сколько людей работают над темой. Сейчас Китай подготавливает около тысячи специалистов в термоядерной энергетике в год. Плюс китайцы обеспечили очень достойный уровень жизни своим ученым, многие ранее уехавшие ученые вернулись работать на родину, принеся с собой опыт и знания, полученные в работе на крупнейших термоядерных установках мира. Очень заметно вырос уровень квалификации молодых специалистов.
— Раз китайцы впереди планеты всей, чем они удивят мир?
— Китайцы уже строят и в 2027 году собираются ввести в эксплуатацию в Институте физики плазмы Китайской академии наук (ASIPP) новый крупный сверхпроводящий токамак BEST (Burning Experiment Superconducting Tokamak), который будет работать с дейтерий-тритиевой плазмой. Там они планируют получать от 20 до 200 МВт термоядерной мощности. По тому, как они подошли к подготовке проекта, есть ощущение, что он реализуем. Но не уверен, что уложатся в сроки, системы очень сложные, а на стендах все проверить невозможно. Токамаки ведь это не изделия с конвейера, все установки индивидуальные. Это в том числе означает, что успешный эксперимент на одном токамаке не воспроизводится на других, а, скорее, задает направление поиска «правильного» режима разряда.
Более того, китайцы занимаются не только физикой, но и сразу технологией. В ASIPP, где сейчас устанавливает рекорд за рекордом сверхпроводящий токамак EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), уже создали стендовую площадку CRAFT (Comprehensive Research Facility for Fusion Technology), где можно тестировать и отрабатывать технологии производства сверхпроводниковой электромагнитной системы, систем дополнительного нагрева и прочего. Задействованы массы технологий.
— Получается, что для реализации грандиозных планов нужны значительные госсредства, как в Китае?
— В нашем случае, безусловно, да, но в мировом термояде есть убедительные примеры того, что частные деньги работают лучше, существенно быстрее. Я не финансист и уж тем более не инвестор, но хорошо известно, что рискованные вложения обязательно составляют некую часть портфеля ценных бумаг, поэтому и в проекты из сферы термояда тоже активно вкладывают. В ту же американскую компанию Commonwealth Fusion Systems, которая сейчас строит токамак SPARC с магнитной системой из высокотемпературных сверхпроводников, вложены миллионы частных денег, а господдержка осуществляется скорее на «моральном» уровне. Если нужно что-то купить, они просто идут и покупают, а потом уже объясняют инвесторам, на что это потрачено.
— Что скажете об их проекте?
— Компания намерена реализовать преимущества высокого магнитного поля в токамаке для возрастания интенсивности термоядерных реакций, что позволит получать высокие мощности в установках гораздо меньшего размера (а значит, и стоимости), чем ИТЭР. Ключевой технологией для повышения величины магнитного поля является переход на высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) проводники в электромагнитной системе токамака. Сейчас, насколько мне известно, компания получила финансирование на сооружение пилотного токамака SPARC, с использованием опыта которого должен быть спроектирован прототип коммерческого токамака реактора ARC (affordable, robust, compact — «доступный, надежный, компактный»). SPARC будет использовать ВТСП-магниты на основе оксида иттрия-бария-меди. Эти магниты помогут создавать примерно вдвое большие магнитные поля по сравнению с низкотемпературными.
— Некоторые стартапы из сферы термояда объявляют, что эта технология также может найти применение для космических и судовых двигателей, прочих промышленных задач. На ваш взгляд, это реально?
— Не могу ничего сказать в пользу двигателя. Да и зачем? Те же космические плазменные двигатели хорошо известны, и сейчас их много работает, в Росатоме проводится много исследований. Но это не термояд, это не реакции синтеза, это не энергетика. Сделать энергетическую установку термоядерную? Тут ведь штука какая, как со слоном. Он на единицу веса ест меньше синицы, потому что тепловыделение зависит от объема, а потери тепла — от площади поверхности. Поэтому большая машина дает возможность держать характеристики плазмы очень хорошо. Сделать ее меньше — значит не обеспечить изоляцию. К тому же установки с магнитным удержанием плазмы, такие как токамак, на сегодняшний день существенным образом ориентированы на использование громоздких и энергоемких дополнительных систем. Для установок такого рода я не вижу перспектив использования в качестве энергетических источников для двигателей. Вы можете представить себе ИТЭР весом в 23 000 тонн, с необходимыми периферийными устройствами, плотно размещенными на 180 га, в качестве источника энергии для двигателя? У меня это не очень получается. Зато технологии, которые появляются в работах по термояду, те же методы нагрева плазмы, могут быть востребованы в самых разных областях.
— А отечественные токамаки как способствуют развитию технологий?
— Советские, а затем российские токамаки открыли путь в жизнь многим передовым технологиям. Так, наш предыдущий флагман — токамак Т-10 — обусловил разработку и развитие производства мощных генераторов высокочастотного излучения — гиротронов. Мировое лидерство России в этой области обеспечивается ИПФ РАН с дочерним предприятием «Гиком» из Нижнего Новгорода. Также существенное развитие получили мощные атомарные пучки (мировой лидер — Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера в Новосибирске). Именно токамаки подтолкнули развитие технологий создания материалов и конструкций для съема экстремально высоких тепловых нагрузок (уровня примерно 10 МВт/м2). Не стоит забывать и о том, что каждый импульс современного токамака выдает колоссальное количество информации, в том числе требующей обработки в реальном времени для управления разрядом. Поэтому токамаки существенным образом стимулируют развитие ИТ-технологий.
Список можно продолжать еще долго, но хотелось бы особо отметить развитие технологий, ожидаемое в связи с реализацией нашего центрального сегодняшнего проекта — токамака с реакторными технологиями (ТРТ), разрабатываемого на основе ВТСП-проводников. Такой крупный заказчик, как ТРТ, даст существенный импульс развитию ВТСП-технологий в России для широкого применения в самых разных областях. В качестве же энергетически значимого устройства мы ожидаем, что проект ТРТ не только закроет важные пробелы в технологической платформе ИТЭР, но и станет реальным прототипом источника термоядерных нейтронов в будущем гибридном (синтез — деление) реакторе. Причем у него больше шансов реализоваться в ближайшей перспективе, чем у «чистого» термоядерного реактора.
