Алексей Беклемишев (ИЯФ СО РАН) о термояде

Автор: Алла Аршинова

Опубликовано 14 апреля 2011 года

Старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Алексей Беклемишев рассказывает о проекте новой установки по удержанию плазмы - газодинамической многопробочной ловушке (ГДМЛ). Возможно, её создание станет первым шагом к термоядерному реактору на основе открытой ловушки. Если ГДМЛ будет работать так, как это предсказывает теория, токамаки отдадут пальму первенства в области управляемого термоядерного синтеза открытым ловушкам, ведь последние, предположительно, будут в несколько раз дешевле при той же эффективности.

- В чём заключается проблема термоядерной энергетики?

- Проблема УТС, управляемого термоядерного синтеза, в принципе, решена. В начале девяностых годов на токамаках JET и TFTR была получена мощность термоядерных реакций, превышающая затраты на нагрев плазмы, и стало примерно понятно, каким может быть энергетический термоядерный реактор. Однако решение на основе существующих технологий и материалов слишком большое, дорогое и никому не нравится. Поэтому в начале девяностых годов центр тяжести был перенесён на технологии, а финансирование физических исследований резко сократили. Параллельно интерес к этой области пропал и у самих физиков, сократился приток студентов. Специалисты есть, но большинство из них предпенсионного возраста. Причём такая ситуация не только в России, но и во всём мире, кроме Китая. Так что первая проблема, с моей точки зрения, - это кадровый закат.

Токамак - установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые способны выдержать её температуру лишь до определённого предела, а специально создаваемым магнитным полем (из "Википедии").

Физика плазмы - наука, построенная на основе классической электродинамики: все исходные уравнения известны, но решения удаётся найти только в некоторых частных случаях. Закон движения каждой частицы в плазме известен. Но как только частиц становится много и они начинают взаимодействовать - получается совсем другая задача. Уравнения, рассчитывающие их движение, не способен решить ни один суперкомпьютер мира. Рассчитать движение одной частицы можно, а когда их 10²³, то и уравнений вам надо решить столько же. Поэтому многие явления мы до конца не понимаем и вынуждены применять феноменологию. Это значит, что мы сначала наблюдаем явление, а уже потом пишем уравнения и анализируем, а не наоборот. Так можно всё объяснить, но мало что предсказать. Физику плазмы можно сравнить с теорией турбулентности. Плазма обычно турбулентна, а её турбулентность ещё сложнее, чем в жидкости. Дело в том, что плазма состоит из электронной и ионной компонент, которые сложным образом взаимодействуют между собой. Так что вторая проблема в том, что объект нашего изучения оказался слишком сложным.

Ещё одна проблема - это размеры экспериментальных установок. Программа токамаков затормозилась из-за того, что они стали очень большими (и, как следствие, дорогими). JET с конца восьмидесятых годов остаётся самым большим действующим токамаком, а следующий шаг - ITER, который будет стоить 16 млрд. евро. В этом смысле больше повезло альтернативным системам - они продолжали оставаться маленькими и поэтому быстрее эволюционировали. Открытые ловушки имеют шанс догнать токамаки, несмотря на то что людей, которые занимаются токамаками, намного больше, чем нас. Просто мы имеем возможность быстрее менять установки. Что касается токамаков, у них тоже есть "мобильное" направление - это сферические системы, которые быстро развиваются за счёт малого размера. Стеллараторы почти догнали токамаки по параметрам, но затормозились по той же причине: стали слишком большими.

- Как устроены открытые ловушки?

- Любое магнитное удержание основано на том, что заряженные частицы в магнитном поле движутся по спирали из-за силы Лоренца, которая их закручивает. Ось спирали направлена вдоль силовой линии, и если мы хотим, чтобы частица оставалась в магнитном поле, самый простой способ - это сделать замкнутую магнитную конфигурацию, тогда частица просто будет бегать по кругу. На таком принципе работают тороидальные ловушки - токамаки и стеллараторы.

Открытые ловушки используют другие принципы. В магнитном поле можно сделать магнитную пробку, то есть усилить его в определённом месте. Тогда спираль, по которой движется частица, сожмётся, как пружинка. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее она сжимается, и в какой-то момент частица отразится - полетит в обратную сторону. Частицы между двумя магнитными пробками могут удерживаться в магнитном поле. Этот принцип называется адиабатическим удержанием, а соответствующие ловушки - зеркальными, или пробкотронами.

Исторически первыми были изобретены ловушки на адиабатическом принципе удержания. Однако оказалось, что работают они плохо. Дело в том, что удерживаются не все частицы, а только те, у которых спираль траектории достаточно крутая. Если же частицы между собой сталкиваются, направление их скорости меняется и рано или поздно они покидают ловушку. Кроме того, оказалось, что плазма всё время "гудит" из-за развития разных неустойчивостей. Это "гудение" тоже рассеивает частицы, причём намного эффективнее, чем просто столкновения. Зеркальные ловушки работали хуже, чем токамаки сравнимого размера, и их закрыли в семидесятых годах. Остались они только у нас и в Японии. Почему? Потому что это уже не простые зеркальные ловушки, а установки на новых принципах. Например, действующая в нашем институте установка ГДЛ (Газодинамическая ловушка) основана на ограничении потока газа через отверстие.

Газодинамическая ловушка

В области пробки силовые линии магнитного поля, вдоль которых частицы вылетают из ловушки, сгущаются. Это значит, что если мы сделаем очень сильную магнитную пробку, то плазма будет вытекать из основной ёмкости через очень маленькую дырочку. Тогда даже если частицы сильно рассеиваются внутри ловушки, их поток будет ограничен. Через сопло может вытечь только определённое количество газа, поскольку в самом узком месте он течёт со скоростью звука. Однако в такой схеме расчётные продольные потери гораздо больше, чем при классическом адиабатическом удержании. Поток плазмы растёт при увеличении рассеяния частиц до тех пор, пока он не будет ограничен "вытеканием через маленькую дырочку". Это удержание по принципу "хуже быть не может". Если рассчитать, какой должна быть длина ловушки, чтобы на таком принципе удержания сделать термоядерную электростанцию, то получится что-то огромное. Поэтому исходно ГДЛ была ориентирована не на энергетику, а на материаловедение, как прообраз источника нейтронов.

Вторая наша ловушка, ГОЛ-3 (Гофрированная открытая ловушка), основана на совсем другом принципе. Это многопробочная ловушка с гофрированным полем, которая состоит из последовательности маленьких пробкотронов. Плазма в ней нагревается коротким импульсом мощного электронного пучка. После нагрева плазма разлетается вдоль ловушки, но медленно, так как поток тормозится из-за рассеяния частиц в пробкотрончиках. Исходная идея состояла в том, что термоядерная реакция могла бы произойти раньше, чем плазма разлетится вдоль трубы. Так что это - принципиально импульсная установка.

ГОЛ-3

Хотя во всём мире открытые ловушки закрыли, эти две остались, и мы существенно продвинулись в понимании их работы. Они работают гораздо лучше, чем ожидалось, а турбулентность улучшает, а не ухудшает их характеристики! Это позволяет нам строить амбициозные планы при почти полном отсутствии конкурентов.

- Какие у открытых ловушек преимущества?

- Одно из основных преимуществ - это большая плотность энергии плазмы, которую можно удержать. Плотность энергии - это произведение плотности плазмы на её температуру. Значит, мы можем работать с горячей и плотной плазмой и получить большой выход термоядерной мощности из малого объёма плазмы. Магнитное поле, которое удерживает плазму, обладает упругостью, пропорциональной квадрату напряжённости поля. Давление плазмы может составлять только какую-то часть полной упругости магнитного поля. Иначе плазма выдавливает магнитное поле, а сама попадает на стенку. Отношение давления плазмы, которое можно удерживать, к давлению магнитного поля в открытых ловушках составляет 60 процентов, такой результат был получен на ГДЛ. В токамаках эта величина составляет всего 5-10 процентов. То есть эффективность применения магнитного поля в токамаках гораздо хуже. Почему это плохо? Потому что объём плазмы, а значит, размер установки становится большим. Особенно это проявляется, если мы хотим использовать DD-реакцию (реакция слияния двух ядер дейтерия) или другие "продвинутые" топлива. В токамаках плотность выделения энергии будет очень маленькой, так как ядра дейтерия взаимодействуют между собой в сто раз слабее, чем с тритием. А чтобы сделать энерговыделение большим, нужно большое давление. Так что DD-реактор возможен только на открытых ловушках и некоторых альтернативных системах, а токамаки на него даже не претендуют.

Немаловажен вопрос конструкции. Токамак имеет форму бублика. Поэтому, во-первых, его сложнее сделать, во-вторых, его сложнее чинить при поломке. А в прямой трубе, которую представляет собой открытая ловушка, можно заменять секции без полной разборки. С инженерной точки зрения это гораздо выгоднее.

И боковая стенка не прожигается в случае чего. Есть такой параметр, как разделение потока тепла и потока нейтронов. Почему токамаки, и особенно сферические токамаки, требуют значительных материаловедческих разработок? Потому что нейтроны летят туда же, куда и поток тепла из плазмы, - и то и другое идёт на стенку. Сделать же стенку, которая выдержит такую нагрузку, достаточно сложно. Убрать все излишки в предназначенное для этого место - дивертор - не удаётся. А в открытой ловушке тепло и шлаки удаляются автоматически - вдоль поля, в расширитель. Поэтому на боковую стенку попадают почти исключительно нейтроны и излучение.

Ещё один плюс - возможность прямого преобразования энергии. Поток плазмы, который вылетает в расширитель, можно поместить в скрещенные поля и снимать электрическую мощность непосредственно с электродов, которые к этой плазме присоединены, не используя тепловую машину с тридцатипроцентным КПД. Теоретически КПД преобразования энергии плазмы в электричество может достичь 90 процентов, но это пока возможность, а не реальность.

Если бы удалось сделать небольшую термоядерную открытую ловушку, то это был бы готовый термоядерный ракетный двигатель, с соплом. Сейчас такое, конечно, звучит фантастически, но теоретически это возможно. Во всяком случае, встречаются серьёзные люди, которые выступают на конференциях с такими докладами. Конечно, с трудом верится, что ловушка в два километра поместится на космический корабль, но вдруг мы её когда-нибудь укоротим? Тридцатиметровая вполне могла бы поместиться; она, правда, тяжёлая, но это уже другая проблема.

Очевидных достоинств у открытых ловушек много, причём часть из них является следствием их основной слабости - наличия дырок, через которые вытекает плазма.

- Как возникла идея создания ГДМЛ?

- Идея совмещения многопробочной части с газодинамической в стационарном реакторе возникла в 2006 году в Институте ядерной физики. Если поток плазмы из газодинамической ловушки затормозить в многопробочной секции, то продольные потери уменьшатся, а эффективность удержания - возрастёт. Отцы-основатели, классики, которые изобретали многопробочную открытую ловушку, рисовали что-то похожее, но для импульсной системы. Они тоже считали, что не надо делать всю ловушку гофрированной, а нужно сделать центральную часть в виде гладкой трубы. Только в их варианте труба не была большим пробкотроном, а предполагалась такого же диаметра, как и гофрированная часть. Кроме того, считалось, что это чисто импульсная система, то есть с ГДЛ она была бы не совместима. Эффективное многопробочное удержание при относительно низкой плотности оказалось возможным благодаря коллективному рассеянию ионов на колебаниях плазмы (подобно уменьшению потока воды из гудящего крана). Оно было открыто коллективом лаборатории ГОЛ-3 ИЯФ.

Реализовать плазменную ловушку на основе такого улучшенного многопробочного удержания можно не единственным образом. Идея коллектива ГОЛ-3 заключалась в том, чтобы основным источником нагрева и термоизоляции плазмы сделать релятивистский электронный пучок. Для этого нужно, чтобы, как и в ГОЛ-3, в расширителях была плотная плазма, а электронный пучок был стационарным. А я отстаивал систему с низкой плотностью плазмы в расширителях, больше похожую на ГДЛ. Примерно в октябре 2010 года наше начальство решило, что пора разрабатывать установку нового поколения, и поручило это мне. Работа оказалась очень интересной. Обычно теоретики анализируют целое путём разбиения его на мелкие куски. А тут совсем наоборот. Нужно было построить целое из кусков, причём так, чтобы каждый кусок работал с другими согласованно, как инструменты играют в симфоническом оркестре.

ГДМЛ - это результат коллективных усилий. Мы старались сделать проект таким, чтобы его считали своим и сотрудники ГОЛ-3, и сотрудники ГДЛ, чтобы обе команды воспринимали его как своё родное детище, ведь по отдельности такую установку не построить. И если всё получится, это будет прорыв: по параметрам ГДМЛ будет сравнима с крупными токамаками, например модернизированным Т-15, но при этом на порядок проще и дешевле.

Схема ГДМЛ

- Как будет устроена ГДМЛ?

- ГДМЛ будет "гибридом" установок ГОЛ-3 и ГДЛ. Основная часть установки - это соленоид с двумя магнитными пробками, как на ГДЛ. В него инжектируются атомарные пучки, которые превращаются в плазме в быстрые ионы. Эти ионы удерживаются в ловушке и обеспечивают термоядерную реакцию. Для того чтобы система удерживала максимальное количество таких ионов, нужно, чтобы они инжектировались под немного разными углами к силовым линиям. Тогда давление плазмы (и энерговыделение) распределяется равномерно вдоль плеча соленоида - прообраза активной зоны реактора. Инжекция атомарных пучков осуществляется четырьмя парами инжекторов, каждый из которых имеет свой наклон к оси установки.

По бокам, за магнитными пробками, к центральному пробкотрону будут пристроены два участка с гофрированным магнитным полем, как на ГОЛ-3. Эти участки предназначены для подавления потока вытекающей плазмы. Плазма, всё-таки вытекающая из ловушки, попадёт в баки-расширители. В них будут установлены пластины-плазмоприёмники и инжекторы электронных пучков.

- А какие у неё будут параметры?

- Центральный пробкотрон - десять метров. Гофрированные участки - по пять метров каждый, плюс баки расширителей; в сумме получается тридцать метров.

Пробочное отношение - восемь. Пробочное отношение - это отношение максимального магнитного поля (в пробке) к минимальному. Оно определяет относительный размер отверстия, через которое вытекает плазма. У нас площадь отверстия составляет 1/8 от сечения в самой широкой области. Чем меньше отверстие, тем лучше. Но чтобы его сделать совсем маленьким, нужно создать большое магнитное поле, а это дорого, потому что подразумевает использование дорогих сверхпроводников. Оказывается, что дешевле увеличивать длину многопробочных участков, чем увеличивать магнитное поле.

Комплекс атомарной инжекции будет состоять из восьми инжекторов мощностью 1 МВт и длительностью 1 сек. Атомы разгоняются до энергии 40 кэВ (тыс. электрон-вольт). ИЯФ является мировым лидером по разработке и изготовлению подобных приборов. Проблемы с технологией нет, были бы деньги. Каждый инжектор стоит порядка миллиона долларов, себестоимость, конечно, меньше, но всё равно это самая дорогая часть установки.

Очень важной частью установки будут электронные пучки. Кроме дополнительного нагрева плазмы, они должны будут поддерживать её электрический потенциал и генерировать звук в многопробочных участках. Их будет две штуки. По одному импульсно-периодическому инжектору в каждом расширительном баке, мощностью 5 МВт и энергией 50 кэВ.

Расчётная плотность плазмы составит 1-5*10¹⁴ в кубическом сантиметре. Это примерно в сто тысяч раз меньше, чем плотность молекул в атмосферном воздухе. Однако для горячей плазмы это большая плотность. Достаточно сказать, что её давление будет сравнимо с атмосферным.

Расчётная температура электронов - 1-2 кэВ. На ГОЛ-3 такая температура электронов получена, но она достигается за счёт очень мощного электронного пучка. В ГДМЛ мы хотим достичь примерно такой же температуры за счёт более качественного удержания плазмы. Большая температура электронов позволяет дольше удерживать в ловушке быстрые ионы, соответственно возрастает расчётный выход мощности термоядерных реакций. Если считать, что плазма состоит из дейтерия и трития, и отнести термоядерную мощность к затратам мощности на нагрев плазмы, то получится параметр Q_DT. Он характеризует эффективность удержания плазмы в ловушке. Сейчас на наших установках Q_DT

Чтобы реализовать эти параметры, нужно уже сейчас начинать поддерживающие эксперименты на тех двух установках, которые у нас есть. Мы так и делаем. Например, проводим эксперименты по течению плазмы через один или несколько пробкотронов. Сейчас, как вы могли видеть, к ГДЛ присоединена маленькая ловушечка, она выполняет функцию одной гофры гофрированной системы. Мы проверяли, работает ли при плотности плазмы ГДЛ принцип гудения трубы. Предварительные результаты говорят, что работает - значит, и на ГДМЛ, скорее всего, заработает. Идут эксперименты по разработке электронных пучков для ГДМЛ.

- Будут ли у ГДМЛ приложения?

- Да, будут, и очень полезные. В первую очередь ГДМЛ - это эксперимент для испытания новых принципов устройства термоядерного реактора. Однако есть цели и поближе.

Первое приложение - это мощный нейтронный источник для материаловедения. Его энергетическая эффективность может быть скромной, Q_DT=1-10%. Эти параметры должны быть достигнуты уже в ГДМЛ, при длине ловушки тридцать метров.

Следующее приложение требует Q_DT больше 15 процентов и называется драйвером подкритичного ядерного реактора. Большинство реакторов работают на медленных нейтронах, которые специально замедляются, чтобы вызвать реакцию в уране-235. Основная часть урана при этом остаётся бесполезной. Для того чтобы она стала источником энергии, используются реакторы на быстрых протонах, и как раз за этой системой будущее ядерной энергетики. Потому что того урана, который делится сейчас, осталось немного. Но зато есть большие запасы обеднённого урана. И его можно использовать как топливо, но для этого необходим поджиг. "Поджигать" его можно, в частности, термоядерным источником нейтронов. Такие же параметры термоядерной установки требуются для создания реактора-дожигателя ядерных отходов. Но, конечно, это ядерная энергетика, и если использовать термоядерный реактор в таком качестве, он должен быть обложен радиоактивным веществом. А следовательно, встаёт вопрос безопасности. В связи с ситуацией на "Фукусиме" это приложение может отпасть вообще.

Следующий этап - гибридный реактор. Термоядерный реактор можно обложить "одеялом", заполненным урановыми топливными сборками, и получится гибридный реактор. Его преимущество в том, что он глубоко подкритичен. Это значит, что если плазменная установка остановится, то без дополнительной аварийной защиты выключится и сам реактор. Плазму очень сложно зажечь, но зато "выключить" легче лёгкого.

Чтобы построить чисто термоядерный реактор (без урана), Q_DT должно превышать значение 10. В рамках конструкции ГДМЛ длина ловушки будет порядка трёхсот метров.

И наконец, на основе ГДМЛ можно построить дейтериевый реактор, в котором не будет использоваться тритий. С этой точки зрения реактор будет гораздо более "чистым" и безопасным. Такая двухкилометровая "труба" по расчётам всё равно должна стоить меньше, чем установка системы ITER. Но до этого приложения нам ещм очень далеко.

Возможные приложения ГДМЛ

- Как скоро можно будет начать строительство и эксперименты?

- Если будет финансирование, то через четыре года после начала строительства установки, а если "на подножном корму", то через шесть лет. Но в этом случае придётся строить ловушку из металлолома, и в итоге получится несколько другая установка.

- А как обстоят дела с финансированием?

- Нам удалось вписаться в программу "Росатома" по финансированию термоядерных исследований, но в том, что деньги до нас в итоге дойдут, уверенности нет (так как бюджет распределяется между теми, кто ближе к Москве). В основном финансово поддерживаются проекты на основе токамаков, а мы считаемся альтернативным направлением. Вот, например, Курчатовскому институту "Росатом" обещает помочь в обновлении токамака Т-15. Но даже если им и дадут эти деньги, у меня есть сомнения в том, что они доведут дело до конца, так как работать у них некому - совсем не осталось молодёжи.

- Настолько остро стоит проблема?

- На мой взгляд, да. В Москве культ золотого тельца, поэтому привлечь студента к науке практически невозможно. В этом плане нас спасает то, что мы далеко от столицы. Молодёжь в науке - это очень сложный вопрос. Вот, например, Россия выделяет немалые средства на проект ITER, и туда нужно посылать людей, чтобы они учились и привозили обратно ноу-хау. И кого посылать? Некого.

- Как именно, кстати, Россия участвует в проекте ITER?

- Наш вклад оценивается в 10 процентов. Но это не денежные вложения, а просто мы строим здесь за свой счёт части токамака и отправляем туда. Правда, большую часть строительства пролоббировали люди, которые производят сверхпроводники, а это значит, что мы не столько вкладываемся интеллектуально, сколько поставляем большие железяки.

- Если всё сложится удачно и новая ловушка будет построена, как Вы оцениваете её перспективы? Изменит ли она что-то в области УТС?

- Во-первых, можно будет построить аналогичную ловушку в атомном городке, запустить туда тритий и проводить исследования материалов. Но главное - на основе того, что получится, мы можем начать проектирование термоядерного реактора и дожигателя термоядерных отходов.

Стоимость строительства термоядерного реактора на разных типах установок в зависимости от их размера

По рисунку, который я сделал, видно, почему дальнейшее развитие токамаков проблематично и почему в качестве термоядерного реактора открытые ловушки являются перспективной системой. Горизонтальная ось - это стоимость строительства установки, вертикальная - Q_DT - отношение термоядерной энергии к энергии разогрева плазмы. Величина Q_DT зависит от качества удержания плазмы, то есть времени жизни частиц в ловушке. Когда Q_DT = 1, это означает, что выделяется столько же термоядерного тепла, сколько было затрачено на нагрев плазмы. Большие токамаки сейчас примерно единице и соответствуют.

Видно, что у токамаков есть степенная зависимость качества удержания от размера, а значит, и от стоимости. Это приводит к тому, что все токамаки попадают на прямую с низким наклоном; то есть попросту, чтобы сделать эффективную установку, нужно потратить крупную сумму. Если мы хотим достичь энергетической эффективности на основе токамака, это будет стоить 16 млрд. евро. Это много. А для открытых ловушек зависимость стоимости от качества удержания другая. Если использовать с обеих сторон по одной пробке, то такая зависимость будет немного круче, чем для токамаков. А если использовать многопробочное удержание, то линия будет совсем крутая.

Какой вывод можно сделать из графика? Маленькие открытые ловушки дороже, чем токамаки, на токамаках можно получить гораздо лучшие параметры. Но если увеличивать размеры, то стоимость открытых ловушек растёт медленнее. Стоимость токамака пропорциональна кубу размера. А открытую ловушку просто удлиняют, поэтому она пропорциональна первой степени, то есть длине этой ловушки.

Роль ГДМЛ в данной схеме в том, чтобы поставить начальную точку, через которую надо проводить теоретические зависимости. А чтобы этим зависимостям поверили, придётся делать ещё и дальнейшие эксперименты.

- А как на ваши планы отреагировали физики с токамаков?

- Для них наша работа не представляет интереса, потому что пока мы сильно отстаём от токамаков по многим параметрам. Никто не верит в теоретические скейлинги, если параметры меняются больше, чем в десять раз. Так что кривая, которая там нарисована, теоретическая. Предсказательность в данном случае ограничена. Пока мы говорим только о сжигателе отходов и о продвижении в область материаловедения. А уже следующим шагом станет термоядерный реактор.