Термояд в приближении

Почему направление «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и плазменных технологий» было выбрано в числе приоритетных в рамках РТТН?

Виктор Ильгисонис: Если отвечать кратко, то причин три. Первая — общенаучная значимость направления: никакая другая задача не ощущается столь важной для человеческого общества, как эта. Освоение термоядерного синтеза — это вызов научной силе человечества, который был сделан в ХХ веке и до сих пор актуален.

Вторая причина — отраслевая значимость. Управляемый термоядерный синтез (УТС) — неизбежное будущее для ядерной энергетики; к тому же работа над ним исторически находилась в зоне ответственности и сфере интересов Минсредмаша, потом — Министерства РФ по атомной энергии. Кому же, как не Росатому, продолжать этим заниматься?

Ну и третья причина — это, если можно так сказать, личные интересы ученых. Сам я, например, больше 30 лет занимаюсь управляемым термоядерным синтезом и физикой плазмы. Национальную программу по этому направлению мы разработали значительно раньше появления комплексной программы РТТН. Это была инициатива Курчатовского института, и уже к концу 2016 года мы имели соответствующее предложение по термоядерной программе. Оно обросло иными задачами отраслевой важности, крупными проектами, которые в итоге все вместе и составили РТТН.

Какие ключевые проекты реализуются в рамках этого направления?

Виктор Ильгисонис: В рамках федерального проекта «Термоядерные и плазменные технологии» реализуются пять подпрограмм.

Первая и основная — это развитие базовых термоядерных технологий. Что это значит? Освоение термоядерной энергии может идти двумя путями. Первый, «классический» — создание «чистого» термоядерного энергетического реактора на основе реакций слияния ядер легких изотопов водорода. Такой реактор будет обладать очень низкой радиоактивностью и повышенной безопасностью, а топливные ресурсы будут для него практически неисчерпаемы.

Второй путь, более близкий к реализации и позволяющий внедрить термоядерные технологии в круг задач атомной энергетики, — создание гибридного реактора. Его основная задача — наработка топлива для существующих атомных станций с использованием термоядерных нейтронов.

Базовыми мы называем технологии, которые будут востребованы, по какому бы пути ни пошло развитие термоядерной энергетики (создание «чистого» или гибридного реактора). В любом случае плазму нужно будет создать и удержать, обеспечить нагрев и поддержание тока — последнее обязательно, если говорить о самых популярных термоядерных устройствах — токамаках.

На развитие гибридных технологий нацелена вторая подпрограмма федерального проекта. Необходимо отработать целый ряд процессов, в том числе весьма принципиальных, начиная от схемы и техники использования высокоэнергичных нейтронов, вырабатываемых в термоядерном источнике, разработки и имплементации соответствующей расчетной базы по нейтронике, сечениям ядерных реакций, кинетическим процессам и пр. до конструкторских решений по подаче топлива и сырья, обращения с топливом и материалами бланкета, по системам охлаждения и обеспечения безопасности.

Третья подпрограмма связана с имплементацией перспективных инновационных плазменных технологий. Это направление должно служить демонстрацией эффективности тех усилий, которые затрачивались на протяжении десятков лет на термоядерные исследования. Термоядерный синтез — цель неблизкая. Однако мы уже научились работать с плазмой, изучили ее взаимодействие с различными материалами. Оказалось, что этот опыт востребован в современной индустрии, в медицине, машиностроении и других областях. Примеры самые разнообразные: плазменные телевизоры, скальпели, плазмотроны не появились бы без понимания плазменных процессов и опыта обращения с этой капризной субстанцией.

Четвертая подпрограмма — это технологии лазерного УТС, разновидности так называемого инерциального термоядерного синтеза. В его основе — осуществление микровзрывов термоядерного горючего с последующей утилизацией выделяющейся энергии. Собственно, это аналог использования в гражданских целях хорошо освоенных термоядерных устройств большего масштаба. Такие микровзрывы можно осуществить, используя для воздействия на мишень различные внешние системы. Наиболее эффективная из них — лазерная. Как известно, в РФЯЦ ВНИИЭФ строится крупнейшая мегаджоульная лазерная установка. Однако подпрограмма, о которой мы говорим, подразумевает не прямое продолжение этих исследований, а создание заделов на перспективу, попытки разработать новые технологии в лазерной технике. На этом пути, разумеется, решаются более широкие задачи. Так, вместе с РАН мы задумались о принципиально новом устройстве для физических исследований — сверхмощном источнике светового излучения, с помощью которого можно исследовать фундаментальные свой­ства материи. Работа ведется в рамках третьего федерального проекта программы РТТН. В 2024 году работа, конечно, не завершится, но мы сделаем несколько очень важных шагов в данном направлении. Кстати, эта тема крайне интересна участникам стартовавшего недавно проекта Национального центра физики и математики (НЦФМ) в Сарове.

Наконец, последняя, пятая подпрограмма — обеспечивающая: она направлена на разработку нормативной базы для термоядерной энергетики, а также на создание системы информационного обмена. Дело в том, что развитие термоядерной энергетики подразумевает появление принципиально новых устройств, которые могут представлять и определенную радиационную опасность, и опасность с точки зрения обращения с делящимися материалами (гибридный реактор). Поэтому необходима разработка соответствующей нормативной документации, обеспечивающей корректное обращение с этими устройствами, причем эта работа должна вестись с привлечением международных институтов. Такие задачи стоят сейчас перед всем мировым термоядерным сообществом.

Также создается информационная платформа, объединяющая всех участников федерального проекта в единой базе. Она предусматривает не только и не столько оперативную связь, сколько обмен в реальном времени экспериментальными данными и даже управление экспериментами на действующих термоядерных установках, которые находятся в исследовательских центрах по всей стране.

Какие задачи были решены в 2021 году и какое развитие они получили в 2022‑м?

Кирилл Ильин: Я расскажу о результатах в той же логике реализуемых подпрограмм федерального проекта.

В мае прошлого года на площадке Курчатовского института был запущен токамак Т‑15МД. Это важная веха развития базовых термоядерных технологий. Сейчас в России работают три основные установки типа токамак: Т‑15 МД (Москва), Т‑11М на площадке ГНЦ РФ ТРИНИТИ (Троицк), сферический токамак «Глобус-­М» в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-­Петербург). На каждой из них в прошлом году был проведен полный набор работ. В ФТИ им. А. Ф. Иоффе была создана антенна для ионно-­циклотронного нагрева плазмы. На Т‑11М осуществлена внешняя дозаправка жидким литием его эмиттерной системы в работающем токамаке, без нарушения вакуума. Это существенный шаг к реализации разрабатываемой концепции жидкометаллической защиты первой стенки и дивертора токамака, обеспечивающей таковую в непрерывном режиме в течение всего рабочего цикла токамака.

Основную часть работ по второй подпрограмме — созданию гибридных технологий — выполняет НИЦ «Курчатовский институт». В 2021 году было разработано техническое задание на создание твердотельной бланкетной системы, начата разработка проекта гибридного реактора.

Третье направление — лидер по количеству реализуемых проектов. В их числе — создание мощного плазменного ракетного двигателя — устройства, которое ­когда-­нибудь сделает возможными командировки на Марс. Этой работой занимаются три коллектива: из Курчатовского института, ГНЦ РФ ТРИНИТИ и Центра Келдыша. Главная задача экспериментальных исследований Курчатовского института — получить максимальную энергетическую эффективность и отработать методы создания и нагрева плазмы в безэлектродном плазменном двигателе, который должен обладать повышенным ресурсом. Макет двигателя с высокотемпературной сверхпроводниковой магнитной системой мощностью до 100 кВт должен быть завершен уже в 2022 году. Затем на экспериментальном стенде будут исследоваться его основные характеристики.

В Центре Келдыша ведутся работы по оптимизации параметров электрореактивных двигателей нового поколения, холловского и ионного. На их основе разработан эскизный проект двигательного модуля, построенного по кластерному принципу. Разработаны, изготовлены и испытаны макеты ключевых элементов этого модуля. К 2024 году планируется завершить его изготовление и приступить к испытаниям.

Третий проект (он реализуется в ГНЦ РФ ТРИНИТИ) — создание прототипа плазменного двигателя с повышенными параметрами тяги и удельного импульса на базе магнитоплазменного ускорителя. В прошлом году на квазистационарном плазменном ускорителе был получен удельный импульс выше 100 км/с для водородной плазмы в режиме однократных импульсов — основной параметр для данной системы. Это позволит достичь целевых показателей прототипа при переходе в частотный режим работы и иметь тяговую мощность в 300 кВт при КПД выше 55%. В этом году планируется подтверждение ресурса электродов, для того чтобы система выдержала длительные перелеты.

Также в рамках РТТН в ГНЦ РФ ТРИНИТИ к 2024 году будет создан компактный интенсивный источник нейтронов для испытаний материалов, применяемых в термоядерной энергетике. Установка уже собрана на 50%: разработаны новый мощный импульсный ускоритель плазмы, конденсаторный накопитель для его питания с запасаемой энергией 2,2 МДж, а также комплекс плазменной диагностики.

Кроме того, в ГНЦ РФ ТРИНИТИ и Курчатовском институте ведутся работы по созданию опытных и промышленных установок для улучшения с помощью плазменных технологий эксплуатационных свой­ств материалов и конечных изделий, применяемых в медицине и машиностроении.

В рамках четвертой подпрограммы в ГНЦ РФ ТРИНИТИ разрабатывается макет модуля драйвера для лазерного термоядерного синтеза. (Подчеркну: эта работа началась еще в 2019 году в рамках единого отраслевого тематического плана.) ГНЦ РФ ТРИНИТИ совместно с ВНИИЭФ, МГТУ и другими научными центрами создает импульсно-­периодическую лазерную систему с частотой повторения импульсов 10 Гц при нескольких килоджоулях в импульсе. Уже есть стенд для исследования физических процессов и явлений, возникающих в активных элементах и криогенной системе. На нем можно моделировать и испытывать самые разные лазерные схемы и отрабатывать подсистемы: установки криогенного охлаждения, удаленной диодной накачки и др.

По пятой подпрограмме в части создания нормативной базы главный исполнитель — ИБРАЭ РАН. В прошлом году к этой работе были привлечены и другие экспертные организации (Ростехнадзор, ФБУ «НТЦ ЯРБ»); также мы взаимодействуем с МАГАТЭ. Готовятся и обосновываются изменения в нормативных правовых актах и федеральных законах, чтобы в будущем надзорные органы могли выдавать разрешения на строительство и эксплуатацию термоядерных установок.

Что касается информационной системы, пилотный вариант этого проекта уже работает. В единое информационное пространство входят научные центры Москвы, Петербурга, Нижнего Новгорода, Новосибирска, причем как внутренние, так и внешнеотраслевые организации — например, Курчатовский институт и институты Академии наук. В ближайшем будущем мы планируем подключить и другие вузы и научные институты, ведущие разработки по направлению термоядерного синтеза. Важно, что мы создаем не просто канал и посты связи, а информационную платформу, которая должна обеспечить возможности совместной работы над техническими проектами и участие в экспериментах.

В рамках РТТН разрабатывается проект токамака реакторных технологий (ТРТ). Для чего нужна такая установка?

В.И.: Необходимость создания такой установки вытекает из всей логики федерального проекта. Этот проект, по сути, призван обеспечить поступательное движение нашей науки и техники к будущему термоядерному Эльдорадо. Напомню, что сейчас силами международной кооперации строится ИТЭР — это не просто экспериментальная установка, а самый крупный научно-­исследовательский проект, который ­когда-либо осуществлялся. И по масштабу, и по стоимости, и по сложности используемых технологий он превышает все существующие установки.

Россия — один из ключевых участников проекта ИТЭР. Казалось бы, зачем в нашей стране строить свою установку? Но не стоит забывать, что одна из целей проекта ИТЭР, кроме демонстрации осуществимости термоядерной реакции, — как раз имплементация этих разработок на национальном уровне в собственных интересах. Во всех странах — участницах проекта ИТЭР реализуются свои национальные программы по термоядерному синтезу. Теперь такая программа есть и в России — это федеральный проект в рамках РТТН.

Если говорить о федеральном проекте как о пути к достижению конечной цели — созданию промышленного термоядерного реактора, то понятно, что на этом пути нужны промежуточные станции. Фундамент для первой такой «станции» уже построен — это токамак Т‑15МД. В рамках выполнения РТТН к 2024 году мы планируем его полностью доукомплектовать всеми необходимыми физическими системами, которые позволят ему работать на уровне современных мировых установок. Т‑15МД будет успешно функционировать как минимум в ближайшие 15 лет. За это время нужно построить следующую «станцию» на нашем пути — токамак ТРТ, который станет прообразом гибридного термоядерного реактора.

Позволю себе небольшое отступление. Наука непрерывно движется вперед, и возникает парадокс: в тот момент, когда начинаешь строить новую исследовательскую установку, она уже устарела морально, потому что в ее конструкцию заложены старые идеи. После окончания вуза я начал работать в Курчатовском институте, в экспериментальной лаборатории М. С. Иоффе. Михаил Соломонович следовал принципу, который меня сначала удивил, а потом восхитил: в лаборатории есть работающая установка; параллельно сооружается новая, которая придет ей на смену через несколько лет; и параллельно же физики разрабатывают третью установку — для последующей замены только сооружаемой. Этот принцип, который Иоффе использовал начиная с 1960‑х годов, позволил его команде на протяжении 20 лет быть лидером по своему направлению.

Сейчас, конечно, полностью следовать этому принципу мы не можем — установки стали значительно сложнее и дороже. Однако не думать о следующем шаге нельзя, иначе мы безнадежно отстанем. Следующий шаг — это и есть токамак ТРТ.

На этой установке будут реализованы идеи, которые сейчас широко обсуждаются, но пока не получили практического экспериментального воплощения.

Сам токамак будет буквально напичкан новациями. Например, здесь будет работать магнитная система, целиком сделанная из высокотемпературного сверхпроводника второго поколения. Первую стенку планируется обеспечить литиевой защитой, о которой мы говорили выше. Надеемся, что будет реализована возможность широкого управления профилями параметров плазменного шнура. Моя мечта — заложить в эту машину возможность прямого преобразования энергии высокотемпературной плазмы без промежуточного теплового контура. В общем, о технологических новинках ТРТ можно говорить долго.

К 2024 году мы планируем завершить эскизное проектирование этой установки; оно будет включать детальную проработку отдельных технологических элементов и ключевых систем. После этого должно быть принято решение о строительстве установки. Потенциальную площадку мы определили еще до старта программы — это, безусловно, ГНЦ РФ ТРИНИТИ: именно здесь имеется комплекс токамака с сильным полем (ТСП), обладающий набором уникальных конструктивных преимуществ, воссоздавать которые в другом месте бессмысленно.

Наиболее дорогостоящая часть федерального проекта — модернизация существующей инфраструктуры. Какие работы сюда входят?

В.И.: Действительно, создание новых установок и модернизация существующих — наиболее затратная часть работ. На данном этапе реализации федерального проекта — то есть в рамках комплексной программы РТТН до 2024 года — основной предмет нашего внимания с точки зрения модернизации — токамак Т‑15МД. Вторая по значимости и масштабу задача — инфраструктурные работы на площадке ГНЦ РФ ТРИНИТИ, подготавливающие размещение там токамака ТРТ. Это создание систем водоснабжения, теплоснабжения, энергопитания и многое другое. Еще одно направление работ связано с модернизацией участка по изготовлению сверхпроводников. В рамках федерального проекта мы не можем создать масштабное серийное производство сверхпроводников, но отработка технологий необходима уже сейчас.

Изначально по этой подпрограмме планировались более масштабные работы. Мы надеялись провести модернизацию исследовательских стендов практически во всех организациях — участницах федерального проекта. Так, в ФТИ им. А. Ф. Иоффе должны были быть созданы новые стенды для разработки систем ионно-­циклотронного нагрева, генерации тока; в Институте прикладной физики собирались расширить производственную и экспериментальную базу, связанную с разработкой гиротронов; в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН должен был быть создан комплекс новых магнитных ловушек для исследований улучшенного удержания плазмы в линейных системах, модернизирована газодинамическая ловушка. Все эти проекты утверждены. Надеемся, что комплекс модернизации будет проведен в 2025—2030 годах в рамках продленной РТТН. Также запланирована модернизация стендовой базы в некоторых вузах, в том числе в Санкт-­Петербургском политехническом университете Петра Великого.

Многое из запланированного в РТТН будет реализовано в ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Расскажите, пожалуйста, об изменениях, которые происходят и будут происходить в связи с этим в институте.

К.И.: Начнем с того, что ГНЦ РФ ТРИНИТИ — это действительно уникальная площадка. Напомню, что еще в 1980‑х годах там были реализованы сразу два масштабных проекта: термоядерный комплекс ТСП, на котором планировались работы с адиабатическим сжатием плазмы предтермоядерных параметров, и экспериментальный комплекс «Ангара‑5−1» — одна из крупнейших на континенте установок для исследований физики быстрых самосжатых разрядов сверхтераваттной мощности, динамики излучающей плазмы многозарядных ионов, проблемы инерциального управляемого синтеза.

Сейчас ГНЦ РФ ТРИНИТИ выходит на новый виток развития. Я вкратце перечислю те ключевые проекты, которые реализуются сейчас в институте в рамках РТТН и о которых мы уже говорили: это подготовка к строительству ТРТ, разработка лабораторного прототипа ракетного двигателя на базе магнитноплазменного ускорителя, создание мощного источника нейтронов на основе плазменных ускорительных технологий, создание элементов лазерной установки для термоядерного синтеза, разработка технологии литиевой защиты, обработки материалов.

Эти работы потребовали существенных изменений на всех уровнях, начиная от управленческой сферы и заканчивая имущественной — порядка 30% территории ГНЦ РФ ТРИНИТИ затронуто реконструкцией.

Существенно увеличивается и персонал института: амбициозные задачи, которые ставит программа РТТН, очень интересны как опытным, так и молодым специалистам. Мы активно работаем и с выпускниками вузов, и со студентами, и даже со школьниками.

В части информационного обмена ГНЦ РФ ТРИНИТИ становится площадкой взаимодействия не только отраслевых организаций, но и внешних участников проекта.

Что касается партнеров: правда ли, что в рамках федерального проекта РТТН задействовано большое количество внеотраслевых организаций?

К.И.: Да, это правда. Установки, создаваемые в рамках нашего проекта, настолько сложны, что не могут быть созданы силами только одного исполнителя. Наш федеральный проект реализуется силами трех основных структур: это Курчатовский институт, Росатом и Министерство науки и высшего образования, в подчинении которого находятся вузы и институты РАН. Такого уникального симбиоза компетенций нет ни в каком другом федеральном проекте.

В.И.: Добавлю, что в области термоядерного синтеза такое распределение труда практиковалось всегда, так что наша задача — продолжить эту традицию. Научно-­исследовательские организации нашей страны исторически обладают уникальными, невосполнимыми в случае потери компетенциями. Если завтра, предположим, Институт прикладной физики РАН перестанет изготавливать лучшие в мире гиротроны, то никакая другая организация в России в обозримое время этого сделать не сможет, даже при наличии неограниченных средств. Если ИЯФ СО РАН не будет производить лучшие в мире инжекторы быстрых нейтральных атомов, их нечем будет заменить. Таких примеров много. Поэтому одна из миссий нашего федерального проекта и наша святая обязанность перед будущими поколениями — сохранить эти компетенции на российской земле и вывести их на новый технологический уровень.

Собственно, именно на это нацелена и вся комплексная программа РТТН.