Версия для печати

Наши ученые помогут зажечь искусственное солнце

Нашу жизнь трудно представить без электрической и тепловой энергии, которую мы потребляем с каждым годом все больше и больше. Запасов нефти, газа и урана становится, соответственно, все меньше. Через несколько Десятков лет они будут исчерпаны. И тогда на выручку должны прийти термоядерные станции, создание которых вряд ли обойдется без нижегородских ученых. Их топливом станут изотопы водорода дейтерий и тритий, которые широко распространены в природе, особенно много их в обычной воде.

ЧТОБЫ подтвердить возможность таких станций, во Франции скоро начнется строительство экспериментального термоядерного реактора, который получил название ИТЭР (ITER). Такова английская аббревиатура.

Это международный проект, и с российской стороны в нем принимают участие несколько организаций. В их числе наш Институт прикладной физики (ИПФ РАН) и нижегородское предприятие «ГИКОМ».

О возможности управляемого термоядерного синтеза ученые задумывались давно. Для этого нужно, чтобы дейтерий и тритий соединились. В результате получится новый элемент — гелий.

Синтез сопровождается выбросом большого количества энергии. Но проблема в том, что соединить дейтерий и тритий очень непросто.

Для этого газ, состоящий из изотопов, нужно нагреть до состояния плазмы. Потом саму эту плазму надо будет сильно нагреть, разгоняя при этом частицы по спирали. И вот тогда сила отталкивания, которая мешает синтезу, будет преодолена.

Разгоняют и разогревают плазму в специальных установках — токамаках, которые, кстати, были придуманы в СССР. Первый построен в 1955 году.

С тех пор продолжительного термоядерного синтеза получено не было. Для этого нужно выйти на очень большую мощность.

Необходимая мощность как раз и будет в ИТЭРе. Проект очень затратный и очень наукоемкий, он невозможен без участия многих стран. Китай, Индия, Корея, Россия и США вносят свой вклад в ИТЭР по 10 процентов, Япония чуть больше. Все остальное берет на себя Европа.

ОДНО ИЗ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ — СОЛНЦЕ

Цель проекта — подтвердить саму возможность непрерывного термоядерного синтеза. В принципе, именно такая реакция осуществляется на Солнце, и это одно из весомых доказательств.

Разработка проекта была завершена в 2006 году. Тогда же была выбрана площадка — юг Франции, недалеко от Марселя, местечко Кадараш.

По плану ИТЭР должен быть запущен в 2018 году. А первый промышленный термоядерный реактор «Дэмо» может появиться через 20—30 лет.

Плазма в токамаке нагревается за счет электрического тока, но этого недостаточно. Поэтому в ИТЭРе, помимо тока, будут использовать несколько методов нагрева.

Один из методов — инжекция нейтральных частиц. Ионы ускоряют, нейтрализуют, и эти нейтральные частицы потом впрыскивают в плазму.

— Этот метод казался очень эффективным, — рассказывает заведующий отделом электронных приборов ИПФ РАН Григорий Денисов. — Но Европа, которая взялась за это вместе с Японией, пока не достигла результатов на этом пути.

Еще один метод — электронно-циклотронный резонанс. Под воздействием внешнего излучения может произойти резонанс. То есть частота этого излучения может совпасть с частотой вращения частиц, которые находятся в токамаке. Тогда частицам передается энергия. Они начинают вращаться более интенсивно, и плазма нагревается.

Для этого эффекта нужно излучение, обладающее очень высокой частотой — более 100 гигагерц. Генерировать его способны гиротроны — наукоемкие приборы, изобретенные 50 лет назад в нашем городе.

Несмотря на большую мощность — один мегаватт, излучение может быть передано из гиротрона через очень маленькое окошко в виде волнового пучка.

— Для ИТЭРа это очень важно, потому что излучение может быть передано в очень маленькие области плазмы, чтобы управлять их температурой, — объясняет Григорий Денисов. — Ведь плазма должна «жить» устойчиво на всем участке токамака.

«МЫ НА УРОВНЕ С ЯПОНИЕЙ»

Гиротроны для ИТЭРа разрабатывают три крупные кооперации.

В России это наш ИПФ РАН, НПП «ГИКОМ» и Курчатовский институт, где находится' основная испытательная база.

— В любой кооперации есть научный центр и есть промышленный, — рассказывает Григорий Геннадиевич. — В нашем случае научный центр — это Институт прикладной физики, а промышленный — предприятие «ГИКОМ».

Вторая кооперация — японская. Это небезызвестная «Тошиба» в кооперации с национальным агентством по атомной энергии.

И третья кооперация — европейская, там над созданием гиротронов работают несколько научных центров.

— Конкуренция жесточайшая, соперники очень серьезные, — говорит Григорий Денисов. — И удивительно, что мы не проигрываем другим странам. Мы опережаем Европу и идем на одном уровне с Японией. Это при том, что конкуренты имеют несравнимое финансирование, на порядок больше.

Всего для ИТЭРа планируется создать 26 гиротронов мощностью 1 мегаватт. Россия, то есть кооперация ИПФ РАН — «ГИКОМ», должна поставить восемь устройств.

Сейчас два прототипа мегаваттного гиротрона на испытаниях. Один в «ГИКОМе», а другой в Курчатовском институте в Москве.

Со следующего года начнется выпуск уже не прототипов, а именно тех гиротронов, которые будут установлены на ИТЭРе.

НАУКОЕМКИЙ КОМПЛЕКС

По какому же принципу работает гиротрон? Начнем с того, что в этом устройстве есть электронная пушка, из которой вылетают электроны. Потом они отдают свою энергию излучению, а сами попадают на охлаждающий коллектор.

Это излучение несколько раз отражается в системе зеркал и в конце концов вылетает через окно в виде пучка.

Сам гиротрон помещается в очень большой сверхпроводящий магнит, а вверху устройства — шланги с водой, которая охлаждает коллектор. Туда, на коллектор, уходит 50 процентов мощности, то есть мегаватт энергии. Поэтому, чтобы его охладить, нужен мощный поток воды — 20 литров в секунду.

В общем, получается уже не просто прибор, а целый наукоемкий комплекс.

Такое мощное излучение может выйти только через алмазное окно. Дело в том, что у алмаза очень большая теплопроводность. Когда волновой пучок проходит через диск, он его так нагревает, что другой материал не выдержал бы. Алмаз же выдерживает, потому что сразу передает все тепло внешней среде.

Один алмазный диск диаметром 10 см стоит 120 тысяч евро.

— Часть дисков мы покупаем, — говорит наш собеседник. — Но часть делают в ИПФ РАН на специальных установках — это одно из наших изобретений.

— В 1980-е годы мегаватт можно было получить из гиротрона, но только в течение малой доли секунды, — рассказывает Григорий Денисов. — Или была непрерывная работа, но на относительно малой мощности. Чтобы достичь того уровня, который сейчас есть, то есть мегаватт непрерывного излучения, потребовалось много изобретений, которые касались всех принципиальных частей гиротрона. Были усовершенствованы электронная пушка, окно, преобразователь излучения и так далее. Эти изобретения были сделаны в нашем институте.

Одно из самых значительных изобретений в этом направлении — преобразователь структуры излучения. Суть его в том, чтобы сложное, разнонаправленное излучение электронов собрать в один направленный пучок. Сегодня эта разработка нижегородцев применяется на гиротронах во всем мире.

Нижегородский рабочий ВЕРЕЩАГИН Егор