Новости

25 Апреля, 2019 10:57

Из сборника РНФ «Я ученый!»: Молодой ученый из Новосибирска создал установку, которая станет частью международного проекта по получению доступной термоядерной энергии

После защиты кандидатской диссертации ученый из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера РАН Антон Судников решил замахнуться на большой проект: создать установку, которая будет эффективнее топовых токамаков (замкнутых магнитных ловушек для удержания плазмы) – сердца первого термоядерного реактора, строящегося во Франции. Исследователь сделал расчеты, а потом в рамках крупного институтского гранта РНФ построил установку и провел первые вдохновляющие эксперименты. Еще несколько лет работы, и у разработки Антона появится шанс стать частью глобального международного проекта по созданию энергии будущего.
Источник: пресс-служба ИЯФ СО РАН

На юго-востоке Франции, недалеко от Марселя строится одна из важнейших научных установок в мире – ИТЭР. Первый термоядерный реактор, который призван показать, что термоядерные реакции могут быть доступны людям. Дело в том, что по оценкам специалистов к 2050 году человечеству станет радикально не хватать энергии. Не только классические источники энергии, вроде атома, нефти, угля, газа, но и альтернативные – ветер и солнце – не спасут положение. Нужны альтернативы. Когда в конце 50-х годов прошлого века это осознали, начали пытаться получить энергию термоядерного синтеза.

– В принципе, энергия термоядерного синтеза у нас используется ежедневно, потому что это энергия Солнца и, соответственно, все, что греется под Солнцем, все, что растет под Солнцем, исходно идет от термоядерной реакции. Но мы ничего не можем сделать с ним, а хочется сделать что-то, что будет у нас в руках и даст какую-то разумную энергию, которую мы можем контролировать, – рассказывает Антон.

Чтобы у нас была термоядерная реакция, и чтобы мы могли из нее вытащить энергию, нам нужно удерживать вещество с температурой в 100 миллионов градусов в течение достаточно продолжительного времени. Никакая стенка такого не держит. Чтобы иметь возможность удерживать это вещество, придумали несколько вариантов. Один из них – использовать плазму: уже нагретое вещество, которое перестало быть простым газом и стало газом, состоящим из ионов, то есть из атомов, у которых «потерялись» электроны, и отдельных от них электронов. Какая должна быть форма устройства, чтобы наиболее успешно осуществить идею? Это либо магнитное поле в форме бублика: любая частица, которая оказывается на силовой линии, вращается внутри этого бублика и в первом приближении никуда не уходит. Или это длинная прямая труба, в которой посередине держится плазма, концы труб можно сильно зажать – создать там области с большим магнитным полем, чтобы плазма держалась в центральной части.

Первый путь исторически получил преимущество, начиная с 70-х годов прошлого века. Сейчас принцип лежит в основе самых топовых установок по термоядерному синтезу, которые вообще существуют в мире. Но проблема в том, что, по словам ученых, этот «бублик» инженерно очень сложен и затрудняет постройку электростанции.

Об установке

Поначалу второй способ казался не очень состоятельным: энергии можно было получить примерно столько же, сколько закачали, потому что часть плазмы вытекала из концов ловушки – силовые линии магнитного поля не могли удержать ее. Но потом в Институте ядерной физики РАН в Новосибирске создали установку – газодинамическую ловушку, где плазму нагрели до 10 миллионов градусов, чему некоторые во время ее строительства просто не верили. Потерь вещества стало гораздо меньше, но полностью не удавалось их избежать. Тогда придумали конструкцию, которая напоминает мясорубку.

– Представьте себе шнек мясорубки, который крутит измельченное мясо в нужном направлении. У нас аналогично с двух сторон от центрального отсека с плазмой создается винтовая «нарезка» поля, но при этом разная – с правым и левым винтом. С одной стороны, магнитное поле тащит плазму влево, с другой – вправо. Таким образом обе эти концевые секции закачивают плазму обратно, – поясняет Антон.

Идея показалась не только красивой, но и экономичной. Так, Антон Судников с командой решил воплощать ее в жизнь.


Источник: пресс-служба ИЯФ СО РАН

– В то время, когда на газодинамической ловушке получили такие интересные результаты, я только защитил диссертацию, и мне хотелось как-то развеяться, – вспоминает Антон. – Поэтому еще до того, как мы получили грант, я сделал некоторые теоретические расчеты: можно ли такое магнитное поле создать, и как это лучше сделать. Когда был объявлен конкурс на большие гранты РНФ, эту идею сделали одной из частей плазменного направления нашего гранта. Поскольку я уже включился во все эти оценки, мне стало интересно попробовать такой эксперимент провести, я начал всерьез прорабатывать идею и думать, как должна выглядеть экспериментальная установка, на которой можно было бы увидеть подобный эффект.

Установку создали за два года, в конце 2017 года ее запустили, получили плазму и взялись за полноценные эксперименты. В начале минувшего года Антон с коллегами увидел, что эффект действительно есть: поток плазмы подавляется в два раза.

– Наша установка может быть использована в ракетостроении, чтобы разгонять спутник в экономном режиме, чтобы он медленнее тратил свое рабочее тело, которое он выбрасывает, чтобы разгоняться, и чтобы тот же самый двигатель мог обеспечивать, без оглядки на эффективность по растрате рабочего тела, максимальную тягу. Для этого струя, которая вылетает из двигателя, должна иметь возможность разгоняться как до сравнительно небольших скоростей – несколько километров в секунду, так и в десять раз быстрее – несколько десятков километров в секунду. В таких пределах мы можем менять скорость истекающей струи. Например, мы можем сделать скорость поменьше, поддать побольше газу, и тогда будут большая тяга и большой расход. Либо мы можем сбавить газ, поменьше тратить вещества, и экономно, но эффективно по массе разгоняться до более высоких скоростей. Эта идея с плазмой, которая выбрасывается винтовым магнитным полем, в принципе, может пригодиться как раз для подобных двигателей. Чтобы брать и ускорять то вещество, которое мы выбрасываем, до скоростей порядка несколько десятков километров в секунду.


Фото: Антон Судников – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера. Гранты РНФ: участник гранта «Развитие исследовательского и технологического потенциала ИЯФ СО РАН в области физики ускорителей, физики элементарных частиц и управляемого термоядерного синтеза для науки и общества» (в рамках конкурса на реализацию комплексных научных программ организаций, 2014–2018 гг.), руководитель гранта «Управление столкновительностью потока вращающейся плазмы в геликоидальном магнитном поле для улучшенного торможения плазмы в линейных магнитных ловушках» (в рамках Президентской программы исследовательских проектов, 2018–2020 гг.). Источник: пресс-служба ИЯФ СО РАН

О конкурентах и партнерах

В США уже разработали плазменный двигатель, тестируются прототипы. Но он может подойти не для всех ситуаций. Кроме того, по словам Антона, у американского двигателя есть некоторые технические недостатки, которые ограничивают срок его службы.

Антон может говорить о своей разработке и всем, что связано с термоядерным синтезом, часами. Он знает ее до последней гайки, потому что в самом начале пути был практически единственным ее создателем. В первое время ему помогал только создатель концепции «мясорубки» – старший научный сотрудник ИЯФ Алексей Беклемишев – теоретик до мозга костей, который не любит заходить в экспериментальные зоны, говорит, вентилятор шумит. В команде на старте были инженер-конструктор и пару коллег, которые немного помогали с расчетами. Со временем Судников набрал в свою команду еще нескольких человек, воспитал одну аспирантку и обучает нескольких магистрантов и студентов. С июля этого года Антон – руководитель гранта Президентской программы исследовательских проектов. Грант позволит ему работать с установкой еще три года. Сейчас ученый ищет дополнительное финансирование для продолжения экспериментов. Помощь от бизнеса тоже будет не лишней.

– Некоторый интерес к этой теме есть у тех, кто занимается космическими двигателями. Одна из американских компаний следит за нашими разработками, как только мы достигнем интересующих их параметров работы, они готовы давать нам задачи по проработке двигателей. Совсем недавно немалый энтузиазм к нашей работе появился со стороны входящего в Роскосмос ОКБ «Факел» из Калининграда, который как раз занимается производством плазменных космических двигателей.

А пока шестиметровая СМОЛА, то есть Спиральная Магнитная Открытая Ловушка – так Антон назвал свою установку – ждет новых экспериментов.

– Естественно, нашу модель еще нужно проверять, оптимизировать, требуется большая опытно-конструкторская работа. Но уже сейчас ясно, что это начало интересной научной истории, в конце которой нас ожидают результаты, которые могут оказаться очень важными для термоядерной энергетики будущего.

Источник: пресс-служба ИЯФ СО РАН

История взята из книги РНФ «Я ученый!»: http://www.rscf.ru/ru/node/rnf-prezentoval-sbornik-istoriy-o-rossiyskikh-uchenykh 
Теги
Интервью
6 Июля, 2020
Александр Клименко о поддержке Фондом молодых ученых
«Лестница» грантов РНФ помогает молодым ученым профессионально расти и развиваться: вначал...
13 Марта, 2020
Дискуссия профессионалов. Следует ли привлекать иностранцев к экспертизе российских проектов?
Современная наука не знает границ. Исследования российских ученых все более интегрированы в мировую ...