Стартом конкретных работ по созданию термоядерного реактора можно считать конференцию Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) «Решение проблем термоядерного управляемого синтеза и мирного использования атомной энергии», проходившую в Новосибирске в 1968 году. Там были доложены сенсационные результаты с российских токамаков (ловушек для плазмы закрытого типа): получена температура в 10 миллионов градусов.
В конце 2024 года продемонстрирован другой рекорд: на китайском токамаке EAST удалось удержать разогретую до 70 миллионов градусов плазму в течение 1066 секунд. И физики на конференциях стали говорить: «Термоядерное солнце взойдет на Востоке».
Хотя международный проект по строительству экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (англ. ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor) вот уже несколько десятков лет реализуется на Западе, в окрестностях французского города Кадараш. В состав участников ИТЭР входят Евросоюз, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США, Япония.
Задача ИТЭР, как неоднократно писал «Поиск», - продемонстрировать научно-технологическую осуществимость использования термоядерной энергетики в промышленных масштабах. Успешная реализация проекта позволит получить неисчерпаемый источник экологически чистой энергии, в основе производства которой лежит термоядерная реакция, аналогичная происходящей на Солнце.
А что же российские токамаки, когда-то продемонстрировавшие первые рекорды?
Новые возможности для их работы открывает реализация проекта Российского научного фонда 21-79-20201 «Управление плотностью плазмы в разряде сферического токамака при помощи дисперсионной интерферометрии».
В итоге реализации проекта разработана система управления плотностью плазмы для российского токамака «Глобус-М2» Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН (ФТИ РАН, Санкт-Петербург), и в декабре 2024 года ее эффективная работа была продемонстрирована в эксперименте. В течение 150 миллисекунд система контролировала и поддерживала заданное значение электронной плотности плазмы в токамаке.
– В рамках гранта РНФ мы разработали, установили и довели практически до совершенства дисперсионный интерферометр - диагностическую систему для измерения плотности плазмы путем зондирования излучением лазера с использованием одновременно двух длин волн. На площадке «Глобуса-М2» наш интерферометр называют «бессбойным», - рассказывает руководитель проекта, заместитель директора Института ядерной физики СО РАН доктор физико-математических наук Петр БАГРЯНСКИЙ.
Затем мы сделали несколько итераций в электронике, добились того, что плотность плазмы вычисляется прямо «на лету», - сигнал из регистраторов обрабатывается с максимальной скоростью. И, наконец, решили проблему стабилизации плазмы и автоматического управления ее плотностью с помощью системы подачи газа в вакуумную камеру.
Но за этим коротким рапортом скрываются годы напряженной работы специалистов Института ядерной физики и их коллег.
Источник: Пресс-служба РНФ
Большинство исследований, посвященных управляемому термоядерному синтезу, проводится на экспериментальных установках, в основе которых лежат различные системы магнитного удержания плазмы - магнитные ловушки либо замкнутого типа (токамаки и стеллараторы), либо открытого (пробкотроны).
Для систем любого типа важны следующие параметры: плотность плазмы, ее температура и время удержания в ловушке. В настоящий момент по совокупности этих параметров лидируют токамаки. В частности, уже упомянутый грант РНФ был специально рассчитан на уникальный объект научной инфраструктуры петербургский сферический токамак «Глобус-М2».
– У плазмы есть особенность: ее показатель преломления для длин волн лазерного диапазона пропорционален плотности. Поэтому интерферометрия применяется для абсолютного измерения плотности плазмы, - поясняет П.Багрянский.
Однако классическая схема интерферометра, основанная на пространственном разделении зондирующего и референсного оптических каналов, для диагностики плазмы в термоядерных установках требует сложной и дорогостоящей реализации, результаты измерений очень чувствительны к вибрациям оптических элементов.
Лет 40 назад как раз в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе, сотрудники которого участвуют в нашем проекте, был предложен дисперсионный интерферометр, оптические каналы в котором разделены по частотам, и зондирующие плазму лучи идут строго по одному пути. И мы видим интерференционную картину вне зависимости от вибраций.
Следовательно, можно отправить луч в плазму, на противоположной стенке установить отражатель, вернуть луч назад и проанализировать результаты. Такая техника была разработана у нас в институте еще для газодинамической ловушки.
Затем для установки Textor в немецком городе Юлихе мы начали совершенствовать дисперсионный интерферометр. Там впервые удалось стабилизировать положение плазменного шнура, включив результаты измерений от двух интерферометров в систему обратной связи.
Проект РНФ позволил шагнуть на новую высоту: во-первых, для токамака «Глобус-М2» специалисты ИЯФ СО РАН разработали уникальный дисперсионный интерферометр на основе СО2-лазера с длиной волны излучения ~10 микрон, обладающий минимальной чувствительностью к любого рода вибрациям.
К слову, в настоящее время на «Глобус-М2» работают три системы диагностики для измерения плотности плазмы: СВЧ-интерферометр, диагностика томсоновского рассеяния и дисперсионный интерферометр ИЯФ СО РАН. Последний специалисты ФТИ им. А.И.Иоффе считают наиболее конкурентоспособным для использования на установках следующего поколения, в том числе на прототипах реакторов.
Во-вторых, команда проекта усовершенствовала связанную с измерениями электронику, разработала и оптимизировала такой алгоритм, который позволяет сразу на выходе получать измеренную плотность плазмы, проинтегрированную по длине луча.
Путем долгого совершенствования к окончанию проекта удалось получить самый стабильный на сегодняшний день алгоритм вычисления линейной плотности плазмы на основе данных дисперсионного интерферометра, который, напомню, недаром прозвали «бессбойным». И, наконец, возникла идея: с помощью этой же электроники, используя обратную связь, реализовать систему управления плотностью плазмы.
Эта автоматическая система во время эксперимента сравнивает полученные от измерительного модуля дисперсионного интерферометра значения плотности плазмы, приходящие каждые 20 микросекунд, с заданным оператором уровнем, который необходимо поддерживать.
Если есть рассогласование, формируется сигнал управления пьезоэлектрическим клапаном, отвечающим за напуск газа в камеру токамака, что позволяет изменять плотность плазмы.
– Задача управления плотностью плазмы оказалась не из простых: существовало очень много неизвестных - какова реакция плотности плазмы на инжекцию газа, какие идут задержки во времени, - добавляет руководитель проекта.
Для хорошей работы система обратной связи должна все это учитывать. Но нам удалось подобрать такой алгоритм управления клапаном, что необходимую плотность плазмы на токамаке в Санкт-Петербурге поддерживали в течение заданного времени при длительности разряда всего в 250 миллисекунд.
Результаты экспериментов команды проекта РНФ важны для дальнейшего развития таких установок по магнитному удержанию плазмы, как токамак Т‑15МД (Москва, Курчатовский институт) и проектируемый токамак с реакторными технологиями - ТРТ.
Источник: Пресс-служба РНФ
– Сегодня удалось в удержании плазмы токамаками решить проблемы, которые, когда я был студентом, казались нерешаемыми в принципе, например, организовать безиндукционную генерацию тока, - улыбается Петр Андреевич.
Перед входом в китайский Институт физики плазмы в Хэфэе стоит арт-объект - российский сверхпроводящий токамак Т-7, который когда-то был им подарен. На нем физики Поднебесной учились работать, а теперь вышли в мировые лидеры во многом благодаря грамотной организации работ - создали отдельный технологический центр, где доводят до ума неотработанные технологии. И установки в Китае растут как на дрожжах: летом на месте будущего токамака BEST была яма, а сейчас уже достраивают третий этаж.
На мой взгляд, показатель того, что в термоядерных технологиях наметился прорыв, - резко возросший интерес к тематике со стороны коммерческих компаний. Частные компании инвестируют в разработку термоядерных реакторов и в США, и в Китае, и в других странах. В 2023 году их вложения в термояд превысили государственные. В нашей стране хорошо работает питерский «Глобус», есть еще небольшой токамак в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований, шаг за шагом выходит на проектные параметры Т-15МД в Курчатовском институте.
Но сейчас время систем, которые будут демонстрировать горящую плазму. В январе я был на совещании в Нижнем Новгороде, организованном государственной корпорацией «Росатом», где было принято решение о начале работ по созданию токамака ТРТ: в этой установке планируется магнитная система на основе высокотемпературной сверхпроводимости с полем в 8 Тесла. И, надеюсь, разработанная в рамках проекта РНФ система диагностики и управления плотностью плазмы будет использована в токамаке с реакторными технологиями.
Источник: Пресс-служба РНФ
ИЯФ СО РАН - один из мировых лидеров в разработке магнитных ловушек удержания термоядерной плазмы открытого типа. Основатель ИЯФ Андрей Будкер, еще работая в коллективе И.Курчатова, изобрел «магнитную бутылку» - магнитную ловушку с пробками, от которых плазма отталкивается и таким образом удерживается внутри.
В то же время независимо от А.Будкера такую ловушку предложил Ричард Пост из Ливерморской лаборатории (США). Идея пробкотрона казалась простой и очень привлекательной технически. Но в ходе дальнейших экспериментов с плазмой выяснилось, что ловушка Будкера - Поста не может стать основой для будущего реактора из-за слишком маленького соотношения выделяемой мощности по отношению ко вкладываемой.
Тем не менее поиск решения проблемы управляемого термоядерного синтеза на основе линейных систем продолжается. В списке созданных в ИЯФ систем - амбиполярные, многопробочные, газодинамические ловушки.
Например, совсем недавно новосибирские физики кардинально повысили с помощью винтового магнитного поля эффективность удержания плазмы в установке СМОЛА (спиральная магнитная открытая ловушка).
– Открытые ловушки для удержания плазмы в последние годы, к сожалению, развиваются в догоняющем режиме. Тем не менее у них интересные перспективы, - убежден П.Багрянский. - Принципиальное отличие систем открытого типа в том, что они могут работать с большей экономией магнитного поля.
В токамаке отношение давления плазмы к давлению магнитного поля не может быть больше нескольких процентов. А в открытой ловушке оно достигает единицы. И появляются перспективы более эффективно использовать магнитное поле и реализовывать альтернативные реакции синтеза. Сейчас мы проводим соответствующие расчеты для технического проекта газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ), которая объединит лучшие наработки нашего института в области физики плазмы. Одна из главных идей - возможность использования альтернативных топлив.
Обычно в качестве топлива для термоядерного реактора рассматривается смесь тяжелых изотопов - дейтерия и трития. Эту термоядерную реакцию легче всего осуществить, но бÓльшая часть энергии в ней выделяется в виде нейтронов, поэтому реактор становится радиоактивным. Кроме того, тритий отсутствует в природе, для его наработки приходится применять сложные и дорогостоящие технологии.
А для открытой ловушки в перспективе доступны другие реакции, например, D-D (дейтерий-дейтерий), D-3He (дейтерий-гелий 3) и P-11B (протон-бор 11). Кстати, судя по инвестициям за рубежом, перспективы открытых ловушек почувствовал и бизнес.
При наличии финансирования ГДМЛ может быть создана к 2030 году, и тогда ИЯФ СО РАН станет обладателем прототипа термоядерного реактора собственной конструкции.
