О федеральном проекте ««Термоядерные и плазменные технологии» в комплексной программе РТТН рассказал Виктор Ильгисонис, директор направления научно-технических исследований и разработок ГК «Росатом». Доклад подготовлен при участии К.И. Ильина, П.А. Багрянского, М.Ю. Глявина, Е.З. Гусакова, А.А. Иванова, П.П. Хвостенко
Идея мирного применения термоядерного синтеза владеет человечеством на протяжении уже почти 70 лет. Столь долгий период освоения этой энергии связан с научной сложностью задачи и технологическими проблемами , на преодоление которых и направляются усилия. Периодически озвучиваются мнения, что задача нерешаема либо решение нецелесообразно. Список стандартных благоприятных факторов для овладения термоядом: неограниченность топлива, безуглеродность, физическая безопасность и экологичность (не цепная реакция, непривлекательность для террора, нет продуктов деления и др.), дешевое сырье. Скептики возражают: нужен тритий и расход лития; нет преимуществ перед традиционной ядерной энергетикой; есть опасность утечек трития, происходит нейтронная активация конструкций; дорогая эксплуатация и большие капзатраты. Скептикам обычно отвечают, что перспектива технологии – это синтез DD (дейтерий-дейтерий); что термоядерная энергия дополнит, а не вытеснит атомную; что трития нужно мало и он быстро распадается, а уровень нейтронной активации низкий. Об экономике же говорить вообще преждевременно.
Хотя на современном этапе негативное отношение к целесообразности овладения термоядерным синтезом периодически обостряется, развитые страны наряду с масштабным международным проектом ITER продолжают реализацию собственных национальных программ и планируют строительство современных установок. Некоторые, по планам, будут запущены даже раньше ITER: так, в 2022 или 2023 году должен стартовать совместный проект Японии и Евросоюза. Интересный фактор, – это бизнес-интерес в последние 5-7 лет со стороны коммерческих предприятий, которые инвестируют в исследования термоядерного синтеза как в перспективное направление. Но правильно говорить не о том, что термоядерный синтез как энергетика заработает в ближайшее десятилетие, а о том, что нас интересуют возможности овладения новыми технологиями, которые можно будет имплементировать в промышленности.
Что касается очевидных успехов термоядерного синтеза за прошедшие 70 лет, обычно говорят о факторе n * T * te: тройном произведении показателей концентрации и температуры ионов и энергетического времени жизни плазмы. Для самоподерживающейся термоядерной реакции это произведение должно быть выше определенного числа. Если мы сравним динамику роста этого результата с «законом Мура» (удвоение числа транзисторов каждые два года), то увидим, что удвоение результата тройного произведения происходило каждые 1,8 года – быстрее закона Мура. Это происходило в XX-м веке; но в последние два десятилетия новые установки практически не вводились. Тем не менее наступает период, когда мы рассчитываем на ввод новых термоядерных установок. И, хотя срок ввода ITER вновь скорректирован, развитие продолжается.
С каким инструментарием мы выходим на реализацию нашего федерального проекта? У нас есть работающая установка Т-11М в ТРИНИТИ: она достаточно долго работает, поисковые исследования сосредоточены в области отработки инновационных технологий литиевой защиты первой стенки. Технология разрабатывается в ТРИНИТИ и опробуется на других установка– токамаках курчатовского института: Т-10, планируется на Т-15.
Относительно новая (1999, модернизирована в 2017 г.) термоядерная установка действует в Физтехе им. Иоффе, «Глобус-М-2». Это компактный сферический токамак, который будет задействован в рамках нашего федерального проекта. В ближайшее время войдет в строй токамак Курчатовского института Т-15МД, он благодаря утвержденному федеральному проекту будет оснащен мощными (15-20 МВт) системами дополнительного нагрева плазмы. Тогда параметры этой установки выйдут на международный уровень, позволят проводить современные исследования.
Альтернативный исследовательский подход в области термоядерного синтеза развивается в Институте ядерной физики в Новосибирске. Это единственный институт в стране, который работает в области открытых ловушек. Проект газодинамической многопробочной ловушки реализует комбинацию двух способов удержания плазмы, которые давно успешно исследуются в Новосибирске. Идея будет реализована в ходе экспериментов на установках ГОЛ-NB и КОТ; планируется с помощью инжекции быстрых нейтралов (нейтральных атомов – специализация ИЯФ в создании соответствующих инжекторов) удерживать плазменные образования с давлением, близким к давлению магнитного поля, что станет мировым достижением.
В рамках федерального проекта предполагается реализовать пять подпрограмм (направлений). Первое, наиболее весомое – базовые термоядерные технологии, овладение которыми необходимо вне зависимости от того, каким путем будет реализован термоядерный синтез – в форме чисто энергетического или гибридного реактора. Вторая подпрограмма – гибридные реакторы; эта идеология развивается у нас стране тоже давно, с выходом на потенциально возможную переработку минорных актинидов, наработку ядерного топлива из природного урана либо тория). Третья подпрограмма связана с инновационными плазменными технологиями – это работы, которые за время выполнения федерального проекта могут быть доведены до уровня опытных образцов и промышленного внедрения. На выходе мы планируем получить опытно-промышленные и даже промышленные установки, ориентированные на новые технологии обработки металла, создание материалов для медицины (покрытия для имплантов, искусственных сердечных клапанов, и так далее); специализированные источники частиц излучения, быстрых атомов и ионов, которые пользуются независимым спросом не только в части термоядерного синтеза, и наконец мощные плазменные ракетные двигатели. Четвертая подпрограмма – отработка технологий лазерного термоядерного синтеза. Наконец, пятая подпрограмма – создание нормативной базы, а также системы информационного обмена для всех вовлеченных организаций. Это не только Росатом, но и Курчатовский институт, академические исследовательские организации.
Проект по термоядерному синтезу наиболее финансово емкий с точки зрения потребностей в средствах. Одновременно он и самый сложный с точки зрения контрольных точек и событий, по которым будет необходимо отчитываться – за четыре года почти 500 контрольных точек.
Ключевая особенность проекта – широкая кооперация. Например, ИЯФ СО РАН специализируется на изготовлении уникальных устройств – это ионные источники и источники быстрых пучков нейтральных атомов, необходимые для современных установок термоядерного синтеза. В рамках федерального проекта планируется изготовление нового поколения инжекторов, один из которых будет смонтирован на установке в ИЯФ. Будет сделан перспективный ионный источник на отрицательных ионах с энергией 120 кэВ, который планируется использовать для установок будущего поколения.
Физико-технический институт имени Иоффе в Санкт-Петербурге специализируется на изготовлении систем высокочастотного нагрева плазмы; в данном случае это ионно-циклотронный нагрев. Такие системы необходимы и для установки Т-15 Курчатовского института, они обязательно должны быть предусмотрены для установки следующего поколения.
Институт прикладной физики в Нижнем Новгороде – ведущая в мире структура по изготовлению приборов для электронно-циклотронного нагрева плазмы, так называемых гиротронов. В рамках проекта гиротроны будут поставлены на токомак Т-15МД, будут разработаны новые приборы с уникальными характеристиками. Помимо дооснащения Т-15, планируется разработка проекта токамако-реакторных технологий, которые предполагается уже после завершения комплексной программы РТТН, за горизонтом 2024 года, разместить в ТРИНИТИ. Дальнейший путь развития инфраструктуры в ТРИНИТИ будет возможен в двух вариантах. В случае реализации российско-итальянского проекта IGNITER эта машина может быть размещена на площадке ТРИНИТИ; если сотрудничество потерпит неудачу, то мы создадим эту машину самостоятельно.
Что касается гибридных систем, будут созданы принципиально новые элементы, которые нужны для разработки этой тематики: например, тест-модуль бланкета ITER, и еще несколько конструкций. В настоящее время ни одна не является «общепринятым», серийным устройством – поэтому здесь есть предмет для научного творчества и оптимизации.
Важный аспект – формирование нормативной базы; в части термоядерного синтеза она фактически отсутствует, и должна быть разработана с нуля. Головным институтом в этой работе выступит ИБРАЭ РАН, а в создании площадки информационного обмена головную роль сыграет частное учреждение «Проектный офис ITER», с богатым опытом международного сотрудничества и дистанционного управления установками.
Подводя итог, бы хотел сказать что в нашем федеральном проекте есть понимание: путь по овладению термоядерной энергией долгий, и основные результаты, которые мы планируем извлечь в ближайшие годы, заключаются в укреплении профессиональных компетенций и технологического развития не только наших институтов и организаций, но и смежных отраслей промышленности, участвующих в этом проекте.
Есть большое различие в результатах, которые мы ожидаем при базовом (уже включенном в проект бюджета) финансировании и дополнительном, за которое предстоит бороться. Надеемся на согласованные усилия всех сторон, поскольку без дополнительного финансирования проект будет неполон. А в завершение хотел бы процитировать слова Президента России, которые подтверждают важность овладения новыми наукоемкими технологиями, к каким следует причислить термоядерный проект: «… важнейшим конкурентным преимуществом являются знания, технологии, компетенции».
Алексей Комольцев для журнала РЭА (по материалам доклада)
