Термояд набирает обороты
За последние пару лет в направлении международного термоядерного синтеза произошло сразу несколько ярких событий. В июле 2020 года состоялась торжественная церемония старта сборки токамака ITER. Это стало событием мирового масштаба, которое приветствовали главы нескольких государств. На сборку токамака уйдет несколько лет.
Как я уже говорил, в этом году было достигнуто зажигание на NIF. Коллеги долго шли к этому результату. NIF — это огромная установка, оснащенная 192 мощнейшими лазерами. Эти лазеры направлены в центр камеры зажигания, где размещена крошечная капсула с топливом — смесью дейтерия и трития. При запуске все лазеры одновременно фокусируются на капсуле: совокупная энергия составляет 1,5 МДж/Пс. В результате происходит термоядерная реакция. Теоретически это было рассчитано давно, но доказать на практике — совсем другая история.
В начале лета пришла новость о том, что китайский токамак EAST достиг рекордных показателей работы: он смог удержать температуру плазмы 120 млн °C в течение 101 секунды. EAST — сверхпроводящий токамак, рассчитанный на очень длинный разрядный импульс при мощном нагреве плазмы. Другой рекорд этой установки — удержание плазмы с температурой 160 млн °C при длительности разряда 20 секунд. Оба параметра — и температура, и время — важны. Тренд последних лет — проводить испытания на длинном разрядном импульсе, чтобы понять, может ли что-то пойти не так: например, накопление вредных примесей в центре плазменного шнура и срыв плазмы, или неисправности в работе сверхпроводников, или неконтролируемое накопление трития в перепылённых материалах. Эксперименты на EAST пока проходят успешно. Для проекта ITER эти результаты, конечно, важны, ведь у него много общего с EAST: те же сверхпроводники, использование вольфрама в диверторе, те же системы нагрева и поддержания тока, такая же магнитная конфигурация. При этом надо понимать, что ни на одной термоядерной установке до сих пор не достигнуты критерии, запланированные для ITER: там стандартная длительность разряда будет составлять 400 секунд, а сама D-T реакция должна длиться 3 тыс. секунд.
Еще одно важное для международного термоядерного сообщества событие: в конце лета исследователи смогли поднять плазменные параметры немецкого стелларатора Wendelstein 7-X и достигли температур, в два раза больших, чем в ядре Солнца, то есть 30 млн °C. Стелларатор Wendelstein 7-Х находится в Институте физики плазмы в Грайфсвальде. Это огромная установка, состоящая из 50 сверхпроводящих магнитных катушек высотой больше трех метров. Конструкция окружена криостатом (прочной теплоизолирующей оболочкой) диаметром 16 метров.
Конечно, 30 млн °C — это температура в пять раз меньшая, чем на токамаках. Но это хорошее движение на другом типе плазменной ловушки. На Wendelstein 7-X ставится цель добиться устойчивого разряда в течение 30 минут при мощности нагрева плазмы 15−20 МВт.
Этот проект вызывает у меня глубокое уважение. Как известно, в какой-то момент токамаки вырвались вперед, а стеллараторы остались в тени. Несмотря на это группа немецких ученых напряженно и с переменным успехом продвигала идею строительства стелларатора. В 1994 году проект получил «зеленый свет» от правительства Германии, с 2002 года началось его строительство. Двигался он сложно: дважды был на грани закрытия, стоимость выросла вдвое. На этапе производства треть магнитных катушек была забракована, один поставщик обанкротился. Однако команда не сдалась — с помощью 3D‑моделирования и суперкомпьютеров создала очень точную модель систем стелларатора, послужившую основой для изготовления всех компонентов установки. Стелларатор запустили в 2015 году — и сразу же получили планируемые параметры, а ведь это большая редкость: обычно после физпуска установки требуются доработки.
Конечно, все эти достижения также важны для проекта ITER. В частности, Wendelstein 7-X на деле показала, какую высочайшую точность сборки (с допуском не больше 2 мм!) может обеспечить современное компьютерное моделирование и каких потрясающих результатов способен достичь мотивированный коллектив. Кстати, недавно в ITER был собран один из девяти модулей вакуумной камеры с двумя катушками тороидального магнитного поля с точностью 1,4 мм.
Вообще в термоядерном сообществе сформировалось устойчивое мнение, что сама природа нам помогает — действительно, за последние 20 лет работы, особенно по токамакам, мы очень продвинулись вперед. Но плазма — своенравная субстанция, она не перестает нас удивлять. Например, выяснилось, что при определенных условиях в плазме возникает «улучшенное удержание», так называемые барьеры, уменьшающие сток энергии из плазменного шнура. Благодаря этому в центральной области повышается температура. Однако к хорошей новости, как обычно, прилагается плохая: за барьером при увеличении градиента давления плазмы образуется неустойчивость периферийного слоя плазмы, так называемая ELM (Edge Localized Mode). И вместо спокойного, ламинарного стекания плазма начинает «шнуроваться» и выбрасываться на стенку камеры. Возникает локальный перегрев — плазменный «шнурок» способен прожечь металл, хотя при этом среднее значение потока из центральной плазмы не меняется. Уже появились методы, с помощью которых можно уменьшить эффект «шнурования», закачивая газ в дивертор или воздействуя на ELM внешним стохастичным магнитным полем.
Итак, возникают различные явления, которые трудно предсказать теоретически. Но, основываясь на результатах экспериментов, статистическими методами можно выявить взаимозависимость различных параметров и выделить устойчивые тенденции (закономерности). Такие статистически определенные закономерности называются скейлингами. Закон Мура в микроэлектронике, например, — это тоже скейлинг. Скейлинги очень важны для прогнозирования параметров плазмы в проектах новых установок.
Время от времени возникают проблемы, относящиеся к фундаментальным вопросам не только физики плазмы, но и твердого тела. Например, российские ученые столкнулись с проблемой образования так называемых фрактальных структур на стенках вакуумной камеры при больших — «ИТЭРовских» — потоках энергии на материалы первой стенки и дивертора. Испарённый материал, аналогично аэрозолям осаждаясь обратно, образует рыхлые пленки с очень большой сорбционной способностью к газовой компоненте. Такие пленки могут поглощать тритий в большей мере, чем это просчитано в проекте ITER. Конечно, есть способы это предотвратить. Но испытать их можно, только построив ITER.