Анатомия плазмы: как продвигаются термоядерные мегасайенс-проекты

На ежегодную Международную конференцию по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в Звенигороде собрались люди, готовые часами обсуждать турбулентность плазмы, лазерное ускорение заряженных частиц и прочие научные проблемы. Хорошо, что первый день отводится для докладов, понятных даже непосвященным, — ​о международном ИТЭР, российском ТРТ, китайском BEST и других мегасайенс-проектах.

По завету Велихова

Конференцию в этом году посвятили одному из столпов современной отечественной физики — ​академику Евгению Велихову, ушедшему из жизни 5 декабря 2024 года. «Он на многие годы определил ландшафт и направление не только российской, но и мировой науки», — ​сказал на открытии конференции заместитель директора Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» по ядерным технологиям Алексей Ковалишин.

Евгений Велихов занимался преобразованиями энергии, в том числе ядерной в электрическую, импульсными генераторами, лазерными и информационными технологиями и много чем еще. В 1977 году у него родилась идея сделать международный проект по управляемому термоядерному синтезу. В 1985‑м проект стартовал, и сейчас во французском центре «Кадараш» строится ИТЭР. Это самый крупный интернациональный проект, нацеленный на подтверждение технологической и коммерческой осуществимости термояда.

От новой базовой линии не отступать

В ИТЭР меняют базовую линию: объем работ, график и смету. Причин множество. Из-за того что топливом для термоядерной реакции будет служить дейтерийтритиевая смесь (а тритий радиоактивен), французские регуляторы долго, до 2012 года, не выдавали лицензию на строительство. Некоторые поставщики не успевали с заказами. Из-за пандемии коронавируса усложнилась логистика. Графики поставки и сборки местами не были синхронизированы. Наконец, на площадке выяснилось, что секторы вакуумной камеры не стыкуются, а трубки тепловых экранов растрескались, потому что сделаны из неподходящего материала и неправильно закреплены.

Новая базовая линия нацелена на максимальную реализуемость. Материал первой стенки токамака сменили: вместо бериллия (его не одобряет французский регулятор) будет вольфрам. Чтобы компенсировать недостатки вольфрама, стенку покроют бором и добавят гиротронов, генерирующих высокочастотное излучение. Поврежденные секторы вакуумной камеры и тепловые экраны ремонтируют, не подлежащие ремонту заменяют. Первый сектор планируется загрузить в шахту в апреле этого года, последний — ​в конце 2027‑го. Сваривать секторы будут одновременно, чтобы избежать теплового смещения, из-за которого они могут не сойтись. На сварку отводят три года. Сборку вакуумной камеры рассчитывают полностью завершить в 2033‑м.

Благодаря параллельной сборке и отказу от первой плазмы как самостоятельного этапа, дейтерийтритиевый эксперимент (то, ради чего и строят ИТЭР) сдвинется всего на четыре года. Эксперимент разнесен на два периода: 2039–2049 годы и 2049–2059 годы, когда и предполагается добиться того, что токамак будет вырабатывать 500 МВт энергии на протяжении минимум 500 секунд.

Международное сотрудничество

Директор Проектного центра ИТЭР (входит в «Росатом») Анатолий Красильников рассказал о сотрудничестве в термоядерных проектах. Около четырех десятков российских организаций поставляют в «Кадараш» высокотехнологичное оборудование. Конечно, и для наших проектов тоже: страны-партнеры вправе бесплатно использовать ноу-хау ИТЭР, если ведут национальные программы по термояду. Для американского термоядерного проекта SPARC Россия изготовила и испытала прототип высокотемпературной сверхпроводниковой катушки тороидального поля. Строящемуся китайскому реактору BEST наши компании готовы поставить гиротроны, комплекс для наработки трития, инновационную систему инжекции атомов с определенными параметрами, технологии дистанционного управления и проч. Сотрудничество с китайскими термоядерщиками позволит российским ученым участвовать в экспериментах на самой большой в мире (пока не заработал ИТЭР) установке и получить опыт, который ускорит создание российского токамака с реакторными технологиями — ​ТРТ.

ТРТ сейчас проектируют. Он объединит ключевые инновационные термоядерные технологии: высокотемпературные сверхпроводниковые магнитные системы, диверторы, диагностические системы, совместимые с термоядерным реактором, и др. Публичного графика строительных работ пока нет, но известно, что запуск намечен на 2036 год. Сдача в эксплуатацию займет полтора года, тестирование высокотемпературной сверхпроводниковой электромагнитной системы — ​три, исследования — ​пять с половиной лет. После начнутся эксперименты с ограниченным напуском трития.

Надежды на BEST

О токамаке BEST мощностью 20–200 МВт на конференции рассказала представитель Института физики плазмы Китайской академии наук Виктория Саклакова. Достроить его планируют 30 июня этого года, получить первую плазму — ​31 декабря 2027‑го. Цель ученых на BEST — ​добиться устойчивого автономного горения и выработки энергии. Еще один термоядерный проект Китая — ​CFEDR (инжиниринговый демореактор), на нем будут отрабатывать технологии и методики, тестировать материалы и оборудование.

Действующий чемпион Китая, экспериментальный продвинутый сверхпроводящий токамак EAST, недавно поставил рекорд удержания плазмы — ​1066 секунд. На EAST работают и иностранцы, доля экспериментов зарубежных ученых растет, сейчас это порядка 30 %.

Ученые России и Китая сотрудничают не один десяток лет. Вот несколько примеров. В 1992 году Курчатовский институт подарил Институту физики плазмы первый в мире сверхпроводящий токамак Т‑7. В 2015 году создан Китайско-российский центр исследований сверхпроводящих протонов, в 2022 году подписано соглашение о фундаментальных исследованиях на базе нашего коллайдера NICA, в 2024‑м — ​соглашения о сотрудничестве с российскими вузами и Проектным центром ИТЭР.

Виктор Ильгисонис
Директор направления научно-технических исследований и разработок «Росатома»

— Это самая масштабная конференция ведущих специалистов в области термоядерного синтеза в мире. Она поделена на пять секций и затрагивает все направления работы «Росатома» в этой сфере. Здесь ученые докладывают о своих достижениях, намечают планы на следующий год, обмениваются опытом, молодежь предлагает идеи и представляет разработки.

В этот раз российские специалисты, в частности, рассказали о текущих исследованиях для реализации проекта ТРТ, который «Росатом» планирует построить в Троицке. Китайские коллеги поделились информацией о рекордах удержания плазмы на токамаке EAST. И это только два доклада из 300.