«Мы продолжаем дело Будкера»: о создании термоядерного реактора в ИЯФ

В Институте ядерной физики СО РАН много лет занимаются разработкой термоядерного реактора линейной конфигурации. Эту технологию предложил основатель института Герш Будкер. О перспективах таких установок, реакторах с безнейтронным топливом и сотрудничестве с «Росатомом» рассказывает научный руководитель направления «Плазма» Александр Иванов.

Две конфигурации

Наш институт был образован в 1958 году как филиал Института им. Курчатова. Известный физик Герш Будкер создал ИЯФ для воплощения в жизнь собственных идей в области ускорительной техники, физики ускорителей и управляемого термоядерного синтеза. В те времена в научном сообществе как раз зарождалась мода на эти темы.

В термоядерном синтезе есть два глобальных подхода к удержанию плазмы магнитным полем. Первый вариант — ​когда магнитная конфигурация имеет вид замкнутого кольца, как, например, в токамаках или стеллараторах. Заряженные частицы плазмы в таких установках свободно движутся вдоль магнитных силовых линий, но не могут двигаться поперек. Тороидальные замкнутые конфигурации сейчас — ​безусловные лидеры по параметрам удержания плазмы (рекорд у китайского токамака EAST — ​удержание плазмы температурой 120 млн К на протяжении 101 секунды. — «Лаб. СР»). Самый известный токамак — ​ИТЭР, который сооружается во Франции.

Другую, линейную, конфигурацию предложил Будкер еще в середине 1950‑х, примерно в то же время независимо от Будкера идею высказал американец Ричард Пост. Он заметил, что если магнитное поле неоднородно, то есть изменяется его величина, то плазма начинает выталкиваться из областей сильного поля на концах ловушки и удерживается в центре ловушки, где поле слабее. Это и называется линейной системой. Именно такой принцип мы используем в своей разработке, фактически продолжаем дело Будкера. К сожалению, по скорости развития это направление сильно отстает от токамаков. Линейные системы сейчас достигли параметров плазмы, которые показали токамаки в 1970–1980‑е годы. Тем не менее у таких систем отличные перспективы применения, например в качестве мощных источников нейтронов.

Для экономически выгодного термоядерного реактора нужны либо длинные импульсы разряда, либо стационарный режим. До сих пор все подобные установки имели крайне маленькую длительность рабочего импульса — ​несколько тысячных долей секунды. А у нас уже есть проект установки, на которой мы должны продемонстрировать стационарное удержание плазмы в течение нескольких секунд. Мы надеемся, что этот проект будет включен в федеральную программу РТТН по направлению «Развитие термоядерных и плазменных технологий» и установка будет в конце концов построена.

Большое магнитное поле

У нашего проекта сейчас три главные задачи. Характеристики магнитного удержания плазмы сильно зависят от величины магнитного поля. Так что, во‑первых, необходимо создать сверхпроводящие магнитные системы со сверхсильными магнитными полями. Появилось поколение высокотемпературных сверхпроводников, которые открывают перспективы в создании магнитных систем с полями в несколько раз больше нынешних.

Вторая задача — ​создание систем нагрева для плазмы в такой линейной ловушке. Параметры этих систем — ​их развитость, уровень мощности, длительность работы, надежность, эффективность — ​определяют в целом эффективность реактора. Существуют два основных способа нагрева плазмы: с помощью инжекции в нее пучка атомов большой мощности, больших энергий и с помощью высокочастотного нагрева, когда в плазме возбуждаются колебания, которые нагревают ее, как в СВЧ-печи. Но эти системы пока не позволяют получать плазму в линейных ловушках с нужными характеристиками, требуются новые технические решения, новые подходы.

И третья задача — ​подтвердить все наши теории экспериментально.

Безнейтронное топливо

Еще одно направление развития термоядерных технологий — ​реакторы с безнейтронным топливом. Если нам удастся создать топливо, которое в ходе термоядерной реакции не дает нейтроны, исчезнет проблема активации материала и разрушения реактора. Так можно будет сделать термоядерный реактор экологически чистым.

Это привлекательное направление, им в настоящее время, например, занимается фирма TAE Technologies (ранее Tri Alpha Energy. — «Лаб. СР») в Калифорнии, с которой мы взаимодействуем в течение многих лет. ИЯФ участвовал в целом ряде проектов таких экспериментальных установок, поставляя системы для нагрева плазмы пучками атомов. Например, мы с TAE Technologies подключились к проекту «Коперник». Это установка, которая должна продемонстрировать удержание плазмы температурой сотни миллионов кельвинов. Ведь для того чтобы реализовать горение безнейтронного топлива, требуются на порядок большие температуры, чем в классических установках. Сейчас «Коперник», мне кажется, наиболее продвинутый и наиболее интересный среди систем такого типа.

О сотрудничестве с «Росатомом»

Термоядерные исследования в нашей стране были сосредоточены в Минсредмаше, позднее — ​в «Росатоме». Но сейчас масштаб задач настолько велик, что решить их можно только в коллаборации всего научно-технического комплекса России: институты «Росатома», институты Академии наук, отраслевые организации и т. д.

Благодаря инициативе «Росатома» (программе РТТН. — «Лаб. СР») мы получили — ​и надеемся получить еще — ​деньги на развитие наших проектов. Я бы сказал так: подход «Росатома» отличается большой системностью в отношении решения ключевых проблем для страны. Есть квалифицированные люди, серьезные организаторы научных исследований.

В системе Академии наук мы занимаемся фундаментальными исследованиями, которые, по расхожему мнению, не имеют никакого практического применения, и это накладывает определенный отпечаток на отношение к нашей работе. Это, конечно, неправильно, и фундаментальная наука сейчас мало востребована из-за неразвитости наукоемкого бизнеса. Он должен определять важность и перспективность направлений исследований и, соответственно, выделять нужные ресурсы для их развития. В этом смысле лидерство «Росатома», мне кажется, очень существенно.