Удастся ли получить
термоядерную энергию и почему это очень важно, как создавались первые в нашей
стране термоядерные установки и какие сегодня перспективы у такого рода
исследований, рассказывает академик РАН Валентин Пантелеймонович Смирнов, главный
научный сотрудник Троицкого института инновационных и термоядерных исследований
(ГНЦ РФ ТРИНИТИ), научный руководитель по ядерной и высокотехнологичной
медицине организации «Наука и инновации» ГК «Росатом», главный редактор журнала
«Физика плазмы».
— Вас называют «главным специалистом в стране по термояду».
Это так?
— Я бы себя так не
назвал. Потому что у нас самый главный по термояду — Е.П. Велихов. Когда-то я
был его первым помощником в этом деле. Сегодня в связи со многими изменениями
главный помощник Евгения Павловича в термоядерных исследованиях — В.И.
Ильгисонис, который был директором НИЦ «Курчатовский институт». Потом он
перешел в «Росатом», где возглавляет направление научно-технических
исследований и разработок, в частности по термояду. И я очень рад, на этих
выборах мы его избрали членом-корреспондентом. Это замечательный, глубокий
ученый. Нам всем повезло, что приходит следующее поколение высокого уровня.
— Валентин Пантелеймонович, в этом году исполняется 70 лет
ГНЦ РФ ТРИНИТИ, с которым связана практически вся ваша жизнь. Когда вы сюда
пришли, все здесь только разворачивалось. Вы участвовали в создании установки
«Ангара 5-1», на фоне которой мы сейчас разговариваем. Расскажите, пожалуйста,
для чего создавался этот институт, какие цели и задачи перед ним ставились?
— Институт на самом
деле возник еще раньше. Здесь была создана магнитная лаборатория, задача
которой состояла в проведении исследований, связанных с размагничиванием
военных кораблей. За работой этой лаборатории наблюдал будущий директор Института
атомной энергии им. И.В. Курчатова и президент Академии наук СССР А.П.
Александров. А потом эта лаборатория трансформировалась в филиал Курчатовского
института. Этот филиал возглавлял академик М.Д. Миллионщиков, к которому пришел
работать Е.П. Велихов. Это ученый мирового уровня с очень широким диапазоном
интересов. Но главная его активность состояла в развитии термоядерных
исследований в нашей стране.
Первые работы
института были связаны с низкотемпературной плазмой. Были выполнены замечательные
исследования по лазерной физике, по созданию мощных газоразрядных лазеров. Эта
работа продолжается до сих пор.
Поскольку было
необходимо создать площадку для крупномасштабных плазменных работ в области
термоядерных исследований, здесь было решено создать два крупных комплекса.
Один — «Ангара-5-1», а другой — токамак с сильным полем (ТСП). Комплекс ТСП еще
больше, он просто громаден, занимает целое здание в семь этажей. К нему
примыкают четыре здания с ударными генераторами с общим энергозапасом в 4 ГДж.
Строительство таких огромных комплексов, таких термоядерных устройств было
начато в 1978 г. В настоящее время этот институт, переживший переименование из
Филиала Института атомной энергии им. И.В. Курчатова в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, Троицкий
институт инновационных и термоядерных исследований, стал уникальным центром термоядерных
исследований не только в России, но и в мире.
— Правильно ли я понимаю, что до этого работ по термояду в
стране практически не было?
— Это не так.
Исследования по управляемому термоядерному синтезу первоначально начались в
середине 50-х гг. прошлого столетия в Курчатовском институте, вскоре продолжились
в ряде других наших институтов. У нас же первый термоядерный проект был запущен
в начале 1970-х гг. Сюда переехал сотрудник Института ядерной физики Сибирского
отделения АН СССР Р.Х. Куртмуллаев, и у него была очень интересная идея
магнитной ловушки. Она была пионерской, лучшей по тем временам, но не смогла
стать кардинальным решением термоядерных проблем. Самое интересное, что в
настоящее время эта часть работы остановлена, а в США с использованием той
физики, которая здесь была наработана, строится термоядерная установка, в
которой обещают получать энергию синтеза в безнейтронном цикле. Это реакция
«протон — бор-11».
— Но вернемся в 1978 г., когда все начиналось. Это была
трудная работа?
— Да, это была
большая, трудная и очень важная работа. Надо сказать, что одновременно с
большим токамаком, который здесь строился, был привезен из Курчатовского
института небольшой токамак. И на этом токамаке начались и идут по сей день
очень важные исследования и по физике, и по технологиям.
В термояде существуют
два направления. Одно из них, называемое магнитным удержанием, связано с
созданием реактора, в котором в плазме, удерживаемой магнитным полем, постоянно
выделяется энергия синтеза, как в непрерывно работающей топке.
А второе направление —
так называемое инерционное удержание, которое предполагает организацию
повторяемых взрывов небольшой порции смеси дейтерия и трития и высвобождение
энергии. И если вы делаете такие последовательные взрывы, то это подобно
двигателю внутреннего сгорания.
Сегодня, спустя очень
большое время, по мере развития работ по термоядерной энергетике абсолютное
первенство принадлежит системам с магнитным удержанием. В первую очередь это
токамаки, изобретенные в Курчатовском институте. Другие магнитные ловушки
бесконечно отстали.
Системы с инерционным
удержанием, может быть, в будущем найдут применение в энергетических реакторах.
Но на основе сегодняшних знаний очевидно: энергия взрыва мишени настолько
велика, что ее будет трудно удержать в камере разумных размеров. Кроме того,
сами средства, способные инициировать этот взрыв, очень большие. Это прежде
всего лазеры, в которых мы преуспели.
— Знаю, в ГНЦ РФ ТРИНИТИ были созданы такие
лазерные установки…
— Да, небольшие
установки в области лазерного взаимодействия с мишенями. На них трудилась и
трудится замечательная команда, созданная под руководством М.И. Пергамента и
Н.Г. Ковальского.
Другое направление в
инерционном удержании — использование мощных электрофизических генераторов для
инициации взрыва термоядерной мишени. Помимо исследований в интересах идеи
импульсно-периодического термоядерного реактора, электрофизические установки
могут создавать сверхмощные пучки заряженных частиц — электронов или ионов,
токи с величиной в десятки мегаампер. С их помощью изучают физику высоких
плотностей энергии. Например, с помощью такого устройства, как «Ангара-5-1», вы
можете сжимать вещество до очень больших давлений и температур. И здесь возникают
новые процессы физики, которые очень важны для понимания многих явлений в
природе. Например, они имеют отношение к астрофизике, к созданию новых веществ.
Другая сторона этих
импульсных систем — многочисленные возможности применения в плазменных технологиях,
в частности в медицине.
— Трудно представить, что такая массивная установка, как
«Ангара-5-1», может применяться для лечения пациентов.
— Совершенно верно.
Но, получив некоторые фундаментальные знания, можно создавать машины небольшого
размера практического назначения на основе новых принципов и технологий.
— И вы их создаете?
— Да. Такие работы
ведутся в «Росатоме» с участием ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Сейчас начинается новый цикл
фундаментального исследования в области онкологии. Одновременно мы начинаем
прорабатывать прототип медицинской установки, основанной на принципах так
называемой флеш-терапии. В этой работе участвуют ведущие онкологи и биофизики
страны.
— Почему у вас возникло желание заняться медицинской
физикой?
— Это вопрос, на
который мне трудно отвечать.
— Вижу, что у вас были очень личные причины включиться
борьбу с раком.
— Да, это правда.
Кроме того, я понимаю, что нашим медикам нужно предоставить хорошие
отечественные аппараты, каких у нас никогда не было. Это такое романтическое
желание что-то сделать в этом направлении.
— Правда ли, что поначалу никто не верил в вашу «Ангару»?
— Использование
электронных пучков, с которыми мы работали для нагрева термоядерных мишеней,
привело к тому, что наши американские коллеги решили построить очень большую
машину. Эта машина вызвала определенное волнение в нашей стране, и меня
попросили дать наше собственное предложение. Это предложение было дано — был
разработан проект «Ангара». Интересно, что он был создан на других принципах,
нежели те, что были заложены американцами. Когда мы это опубликовали,
американцы изменили свои принципы и взяли на вооружение наш подход. Но вы
правы, у нас мало кто верил в успех этого проекта.
— То есть ваши принципы оказались лучше?
— Сейчас в установках
такого масштаба в США, Европе и Китае используют эту схему, внеся в нее и свои
элементы, удешевляющие конструкцию. Мы их понимали с самого начала, но не
сумели преодолеть в то время консерватизм конструкторов и промышленности. Ну а
неверующие по-своему были правы. «Ангара-5-1» превосходила тогда достигнутый
уровень по энергетике в сотни раз, что нарушало представления о последовательности
развития физической техники. Были и не испытанные в полной мере новые
физические решения. Считалось, что установка не заработает. Действительно, с
нашей стороны выглядело авантюристично. Но я и еще некоторые другие верили в
заложенные решения. Мне прямо говорили, что машина никогда не будет работать.
Благодарен нашему научному и административному руководству того времени,
согласовавшему начало работы. Сейчас нас призывают превосходить мировой
уровень. Не исключено, хотя и время другое.
— А она до сих пор работает?
— Да. Она заработала и
дала результаты мирового уровня. Установки, о которых мы говорим и которые
видим сейчас, помимо исследовательских, фундаментальных и прикладных
направлений имеют еще одно направление, именуемое «спецтематикой». Это не
оружие, но это работы ради знаний в оборонной физике, поэтому они поддерживались.
Именно поэтому наш институт оказался закрытым и я перестал ездить за рубеж на
конференции.
А потом, уже в конце
1980-х гг., когда Советский Союз распался, нам разрешили опубликовать
результаты и выступать с докладами. Оказалось, что наши результаты по выходному
продукту в сотни раз лучше, чем американские. Как всегда в таких случаях,
требуется примерно два года, чтобы нас услышали. Поначалу был определенный уровень
недоверия, но потом решили проверить результаты в совместном эксперименте на
«Ангаре-5-1».
В 1993 г. здесь был
проведен первый крупный российско-американский эксперимент. Сначала в 1992 г.
нас посетила делегация физиков во главе с руководителем из Департамента
энергетики США. Они просили приехать в следующем году со своей диагностикой и
проверить наши результаты. Министерство разрешило нам провести совместный эксперимент.
Оказалось, что результаты, которые они получили, даже лучше, чем то, что
намерили мы.
Но в основном все
совпало. Повторилась ситуация, которую мы имели в конце 1960-х гг. в термояде,
когда на токамаках у нас в Курчатовском институте получались параметры плазмы,
которые ни американцы, ни другие не могли воспроизвести в своих магнитных
ловушках. Академик Л.А. Арцимович, руководитель программы УТС того времени,
пригласил английских физиков приехать в Курчатовский институт с новой
диагностикой и сопоставить измеренные параметры с нашими измерениями. Все
подтвердилось, и даже больше.
После этого
практически все лаборатории мира, связанные с работами по магнитному удержанию
плазмы, стали делать токамаки. Сейчас с нашим участием строится первый экспериментальный
реактор ITER, в котором мощность термоядерной реакции должна в 10 раз превзойти
мощность, затрачиваемую на поддержание реакции. ITER — это тоже токамак.
Работы по физике
высоких плотностей энергии продолжаются, лидером этого направления у нас был
В.Е. Фортов, с которым мы здесь тоже работали. Сегодня мы переживаем новый этап
в области термоядерных исследований благодаря новой федеральной программе.
— В чем это выражается?
— Этот виток связан с
тем, что за прошедшие десятилетия много что стало понятно в физике плазмы. Она
очень сложна.
Сейчас Международное
сообщество термоядерщиков последовательно движется к созданию ITER. Я долгое
время был членом-представителем России в техническом совете ITER. Существуют
проблемы создания такого реактора. Одна из важнейших — взаимодействие плазмы со
стенкой, то есть эрозия стенки. Было предложено несколько способов ее защиты.
Кстати, самые активные исследования этой проблемы проводятся здесь на токамаке
Т-11М под руководством С.В. Мирнова.
Энергетический термоядерный
реактор предполагает, что мощность, выделяемая в процессе интенсивной
термоядерной реакции, должна превосходить затрачиваемую на поддержание плазмы
не менее чем в десять раз. И тогда на стенку камеры идет очень высокий поток
частиц, который ее разрушает. Проблема первой стенки — одна из важнейших для
энергетического реактора. Если вы снизите требования к интенсивности реакции,
то эти потоки уменьшаются и проблема защиты стенки перестает быть такой острой.
Но возникает вопрос: а
где мы можем применять эти нейтроны? Оказывается, мы можем их использовать в
целях создания топлива для обычных атомных реакторов. Это так называемые
гибридные системы «синтез — деление», и они сейчас здесь очень активно
обсуждаются и развиваются. Практическая реализация таких систем важна. В ГНЦ РФ
ТРИНИТИ будет построена очень большая установка — токамак реакторных технологий,
на котором можно проверить важнейшие технологии такого гибридного реактора. В
этом смысле ГНЦ РФ ТРИНИТИ — очень значимый компонент термоядерных исследований
в России.
— Валентин Пантелеймонович, понятно, что получение
термоядерной плазмы — предел мечтаний физиков-ядерщиков. Но чего сейчас здесь
удалось достичь? Каков сегодня мировой рекорд ее удержания, где он достигнут?
— Для того чтобы
создавать длительное время удержания в самой плазме, нужно иметь магнитные
поля, генерируемые током, текущим в катушках из сверхпроводника. Первый токамак
со сверхпроводящими магнитными системами был построен в Курчатовском институте.
Потом, в силу ряда обстоятельств, эта система не получила развития. Точнее, она
получала развитие в токамаке Т-15, который создавался в Курчатовском институте,
но из-за слома Советского Союза дело не было доведено до конца.
На Западе и Востоке
довели. Надо понимать, что, помимо времени удержания, еще есть требования на
плотность, температуру, и вообще для того, чтобы термоядерный реактор работал,
необходимо, чтобы тройное произведение — время удержания, плотность и
температура — было выше некоторой величины. На европейском токамаке JET произведенная
термоядерная энергия достигла 59 МДж. Длительность удержания разряда в высокотемпературной
плазме на китайском токамаке — более 100 с. Требуемые температуры также
достигнуты. Реализовать их одновременно в одной установке предполагается в
ITER.
— И этого состояния удается достичь?
— Да. Сегодня здесь
лидеры китайцы. У них разряд в высокотемпературной плазме держится больше сотни
секунд. В ITER будет два режима. Один — режим удержания в течение пяти часов,
другой, более короткий — в течение нескольких десятков секунд.
— Как долго нужно удерживать плазму, чтобы вы могли сказать:
«Все, термоядерный реактор работает»?
— Вообще желательно,
чтобы реактор работал постоянно. Если мы говорим о системах с магнитным
удержанием, а только о них мы и должны говорить, все-таки их придется
периодически перезаряжать. То есть система работает несколько часов, потом она
останавливается, прочищается за час и потом опять работает. В этом смысле
коэффициент использования мощности будет высоким.
Мы все живем благодаря
термоядерной энергетике — не только в смысле зарплаты, а в смысле создания
практически не ограниченного топливными ресурсами энергетического источника.
Термоядерная реакция — такой источник энергии. Человечество жаждет овладеть
такой энергией. В конечном счете человечеству нужно практическое применение. И
первое такое применение будет на гибридных системах. Можно получать топливо,
облучая уран и превращая его в изотоп, используемый в атомных реакторах. Можно
также облучать торий, которого больше на Земле, чем урана, и из него тоже
нарабатывать топливо. Это одно направление.
А второе направление,
может быть, не менее важное, связано вот с чем. Радиоактивные отходы получаются
даже при энергетике, основанной на быстрых реакторах. Их нужно убирать,
организуя так называемую трансмутацию — перевод радиоактивного ядра в спокойное
при нейтронном облучении в гибридном реакторе. И термоядерные установки тоже
могут использоваться для выжигания радиоактивных отходов.
— То есть попутно выясняются какие-то новые прикладные
возможности?
— Конечно. Например,
эти отходы сегодня могут быть активно использованы для продуктовой
промышленности.
— Каким образом?
— Стерилизация. Сейчас
наш институт НИИТФА поставляет такие установки на внутренний и зарубежный рынки
для стерилизации пищевых продуктов. В этих установках пищевые или медицинские
продукты, например шприцы, проходят через поле излучения радиоактивных изотопов
и в результате оказываются стерилизованными.
— А это не опасно?
— Правильный вопрос.
Действительно, а можно ли облучать пищевые продукты? Так вот, в соответствии с
американскими исследованиями этой идеи — да, можно, если брать определенные
дозы. Насколько я понимаю, в космос берут пищу, которая стерилизована именно
таким образом.
Другое дело, что здесь
играет роль еще и экономика. Что дешевле? Поэтому в ряде случаев используют
стерилизацию соответствующими газами.
Другое направление
использования радиоактивных отходов и нарабатываемых изотопов — электрические
генераторы РИТЭГ. Это системы, в которых радиоактивный изотоп, например
плутоний, нагревает окружающую стенку, а дальше с помощью термоэлектрических
преобразователей вы переводите тепло в электричество. В космос запускают такие
генераторы на системах РИТЭГ. Есть более дешевые изотопы, извлекаемые из
отходов. Сейчас мы предполагаем развивать такие генераторы, потому что идет
очень много запросов на их поставку.
— Валентин Пантелеймонович, как вы думаете, удастся создать
термоядерный реактор, который будет работать бесперебойно, как Солнце? Верите
ли вы в это, как вы когда-то верили в «Ангару»?
— Я считаю, что это
совершенно необходимо. И да, его обязательно удастся создать. Не знаю когда и
не могу ответить, насколько такой термоядерный реактор (если мы говорим о
чистом термояде, в котором сгорают только лишь дейтерий и тритий) выдержит
экономическую конкуренцию с существующими атомными реакторами. Но такой реактор
очень важен, поэтому он обязательно появится, у меня нет сомнений.
— Вы живете в Москве, но продолжаете приезжать в Троицк, в
родной ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Скучаете?
— Я очень люблю этот
институт. Здесь работали и работают совершенно замечательные люди. И вообще,
Троицк — научный городок, где царит особая атмосфера. Интеллектуальный уровень
населения в этом городке всегда был очень высоким. Для меня здесь все родное:
ведь самые свои активные годы физика-экспериментатора я провел здесь, в этих
стенах, начиная с того момента, когда здесь ходил в резиновых сапогах, потому
что было невозможно подойти к стройке «Ангары».
— Чтобы током не ударило или потому что было грязно?
— Грязь! Здесь же
ничего не было построено. А потом город расцвел, а наша машина приобрела
мировую известность. На ней работали американцы, французы, англичане. Очень
много было работы с китайцами, и она продолжается. ГНЦ РФ ТРИНИТИ — лучшая
часть моей жизни, и мне не хотелось бы подводить итоги.