В Новосибирске ученые Института ядерной физики имени Будкера СО РАН подвели первые итоги работы экспериментальной установки СМОЛА – название расшифровывается как "Спиральная магнитная открытая ловушка". Опыты с этой "ловушкой для плазмы" – шаг к созданию одного из вариантов термоядерного реактора и разработке плазменных космических двигателей.
Но как скоро изыскания физиков воплотятся в реальной жизни – зависит не только от ученых, но и от финансирования исследований. А с этим – серьезные проблемы.
Миллиард градусов по Цельсию
Основным источником энергии в нашем мире по-прежнему остается сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы не бесконечны, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Поэтому во всем мире давно задумались о переходе к термоядерной энергетике, в которой не будет радиоактивных отходов с большим периодом полураспада и выбросов CO₂ в атмосферу. Только экологически чистое производство. Сейчас уже говорят даже о "термоядерной энергетической гонке", в которой участвуют разные страны, крупнейшие научные институты и менее известные пока стартапы. Переход к термоядерной энергетике, уверяют ученые, – дело ближайших десятилетий. Уже совсем скоро, говорят они, можно будет добывать почти неограниченную энергию из "миниатюрных солнц". Речь идет о реакторах термоядерного синтеза, которые могут дать много дешевой и чистой энергии.
И установка СМОЛА, разработанная новосибирскими физиками, – важный шаг к этому термоядерному будущему.
– Запасы ископаемого топлива неизбежно подойдут к концу в ближайшие десятилетия. А значит, человечеству необходим новый источник энергии, – говорит Александр Иванов, заместитель директора Института ядерной физики СО РАН, доктор физико-математических наук. – Таким источником мог бы стать термоядерный реактор, топливом для которого служит обычная океанская вода. Термоядерная реакция происходит при слиянии ядер двух тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития. Количество выделяемой при этом энергии в миллионы раз превышает то, которое можно получить при сжигании ископаемого топлива.
Главная проблема заключается в том, продолжает ученый, что термоядерная реакция проходит при очень высокой температуре – это миллионы, даже миллиарды градусов по Цельсию.
Топливом для термоядерного реактора служит обычная океанская вода
– Любое вещество при такой температуре переходит в четвертое агрегатное состояние – плазму. Никакими материальными стенками ее не удержать, – объясняет Александр Иванов. – На Солнце плазма удерживается гравитационным полем. А на Земле для решения этой задачи решили использовать магнитное.
Еще в середине прошлого века советские физики выступили с идеей создания "магнитных ловушек" для плазмы. Можно сказать, что те ловушки – далекие предки СМОЛА.
– В 50-е годы предложено было два типа магнитных ловушек – замкнутые и открытые. Эти ловушки способны довольно долго удерживать плазму, разогретую до чудовищных температур, – рассказывает Александр Иванов.
В замкнутых ловушках магнитное поле свернуто в кольцо или "бублик"
Токамак – или тороидальная камера с магнитными катушками – так еще называют замкнутую ловушку. Ее идею в 1950 году предложили Андрей Сахаров и Игорь Тамм. Концепция заключалась в том, чтобы свернуть магнитное поле в кольцо или "бублик". В токамаках плазма удерживается не стенками конструкции, а специально создаваемым магнитным полем, полем тока, протекающего по плазменному шнуру.
С 1980 годов физики из разных стран мира работают преимущественно с закрытыми ловушками, токамаками. Так, во Франции с 2008 года идет строительство международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР на основе токамака (Россия тоже участвует в этом проекте). Реактор ИТЭР должен стать первой в мире установкой, в которой будет протекать контролируемая термоядерная реакция.
А вот в Институте ядерной физики СО РАН пошли по другому пути.
От винта!
Новосибирские ученые решили улучшить конфигурации второго типа магнитных ловушек – открытых. Антон Судников, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИЯФ, поясняет: исследователи надеются доказать преимущества именно открытых форм в удержании плазмы.
– В нашем институте основное направление – это ловушки линейного типа, открытые, – говорит Антон Судников. – В середине ХХ века их концепцию независимо друг от друга предложили советский ученый Герш Будкер и американский физик Роберт Пост. Магнитное поле в открытой ловушке почти прямое, оно очень хорошо удерживает плазму. Но есть два конца, через которые плазма вытекает, входит в контакт со стенкой ловушки. Так происходит резкий спад температуры – от миллиарда градусов до температуры стенки – и, следовательно, потеря энергии. А чем больше энергии мы теряем, тем больше нужно вкладывать мощности. Представьте себе воздушный шарик, у которого на концах две маленькие дырочки. Чем сильнее мы их зажимаем, тем меньше потери. За десятки лет работы по термоядерному синтезу и по открытым ловушкам в частности было предложено множество способов, как избежать потери энергии. Какие-то работали лучше, какие-то хуже.
За десятки лет предложено множество способов, как избежать потери энергии
В 2013 году ведущий научный сотрудник ИЯФ Алексей Беклемишев предложил создать спиральное магнитное поле на торцах открытой магнитной ловушки. Когда на спиральных участках создается электрическое поле определенного направления, можно либо выталкивать плазму из ловушки, либо, наоборот, закачивать ее обратно, улучшая удержание. Чтобы понять, как это работает, можно представить винт от мясорубки.
Но шесть лет назад предложение Беклемишева было лишь гипотезой.
– Мы заинтересовались этой работой, посчитали, как должна выглядеть самая маленькая установка, на которой концепцию можно проверить, – говорит Антон Судников. – Оформили работу как часть большой заявки на грант Российского научного фонда, выиграли его и построили установку СМОЛА.
В прошлом году ученые начали первые эксперименты по удержанию плазмы и сразу же увидели, что гипотеза работает. За год работы новосибирским физикам удалось в четыре раза уменьшить поток плазмы в установке.
– Теперь нам нужно найти тот режим, при котором удержание плазмы спиральным магнитным полем наиболее эффективно, – объясняет Судников.
Чтобы понять, как эти ловушки удерживают плазму, представьте винт от мясорубки
Ученые рассчитывают, что открытые магнитные ловушки следующих поколений будут удерживать плазму еще лучше. И это станет этапом разработки более масштабной установки, газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ). А дальше откроются и возможности для создания экологичного термоядерного реактора. И хотя это дело будущего, результаты, полученные на СМОЛА, внушают оптимизм ее создателям.
Кстати, это будущее не столь уж и отдаленное. По словам Антона Судникова, уже через одно-два поколения открытых ловушек можно будет говорить о создании полноценных термоядерных реакторов. При этом, объясняет ученый, такие реакторы будут более "чистыми" и надежными в плане радиационной защиты, чем те, что создаются на основе токамаков, то есть закрытых ловушек.
Винтовые ловушки, рассказывает Судников, могут применяться для исследования реакции материалов на контакт с плазмой. Могут использоваться и при создании атомных электростанций. Но особое место отводится им при решении задач "космического масштаба".
Космические задачи
Во время экспериментов со СМОЛА подтвердилось еще одно предположение: вытекание горячей плазмы создает тягу, которую можно усилить, подобрав нужную величину и направление радиального электрического поля в секциях со спиральным магнитным полем. Решение этой задачи приблизит физиков к созданию плазменных космических двигателей.
– Уже существуют плазменные ракетные двигатели, некоторые работают в диапазоне мощности 10–20 киловатт. Сейчас самый большой космический аппарат – это Международная космическая станция. Суммарная мощность ее солнечных батарей – порядка 80 киловатт, – говорит Антон Судников. – Для полета на низких орбитах или вывода спутников на геостационарную орбиту таких двигателей вполне достаточно.
Уже через два поколения открытых ловушек можно будет говорить о создании полноценных термоядерных реакторов
При взлете ракеты с Земли, продолжает ученый, нужно, чтобы двигатель на химическом топливе создал большую тягу и как можно быстрее "вытащил" аппарат на орбиту в безвоздушное пространство. При этом расходуется много топлива.
– В ближайшие 15 лет возникнут задачи уже другого масштаба: быстрые перелеты к другим планетам, исследование пояса астероидов. Это потребует и новых источников энергии, и новых двигателей мегаваттного уровня мощности с большой регулируемой тягой и достаточно экономичных, – говорит Судников. – Перед нами стоит задача изучить возможность такого создания двигателя. Сейчас американская компания Ad Astra Rocket разрабатывает прототип подобного двигателя. Наша идея направлена на решение тех же задач.
Но прежде чем начать сооружение специализированной установки для создания плазменного двигателя, нужно детально изучить процессы, протекающие в СМОЛА, уточняет Александр Иванов.
– Применение открытой ловушки в качестве двигателя – это для нас новый вызов, – говорит Александр Иванов. – Но чтобы приступить к следующему этапу работы, надо решить еще одну проблему – найти финансовые ресурсы. Вложения нужны серьезные. И сейчас мы занимаемся поиском партнеров.
"На наш век не хватит"
Несмотря на то что Россия входит в тройку стран – лидеров по работам в области физики плазмы, по многим направлениям российская наука отстает из-за проблем с финансированием.
Думать на несколько десятилетий вперед у нас пока не принято
– В нашей стране эффективное использование результатов научных исследований в реальной жизни – большая проблема, – говорит Александр Иванов. – Чтобы превращать научные идеи в работающие установки, недостаточно талантливых физиков и инженеров – должен быть интерес со стороны крупных компаний. Такая практика сотрудничества науки и бизнеса развита в США. Например, инвесторы частной компании Tri Alpha Energy чрезвычайно заинтересованы в создании термоядерного реактора на основе открытой ловушки. Они уже вложили в разработки миллионы долларов и семимильными шагами движутся к цели – строят третье поколение установки, с каждым разом улучшая ее параметры.
В России такой практики нет, признаются ученые.
– У нас совершенно не развито партнерство между институтами, которые занимаются фундаментальными исследованиями, и бизнесом. Но вопрос не только в отсутствии ресурсов, но и в низкой заинтересованности общества в использовании научных результатов, – говорит Александр Иванов. – Проблема термоядерного синтеза для широких масс звучит как далекая фантазия. У людей есть иллюзия, что энергетических ресурсов пока в избытке – на наш век хватит. А думать на несколько десятилетий вперед у нас, к сожалению, пока не принято.
Чтобы превращать научные идеи в работающие установки, недостаточно талантливых физиков – нужен интерес со стороны бизнеса и общества
Когда научному сообществу были представлены первые результаты установки СМОЛА, председатель СО РАН академик Валентин Пармон заявил: "Институт ядерной физики просто уникален, потому что он один из немногих в Сибирском отделении, кто может совершать такие большие прорывы. Если значимый результат есть, то подключаются и государственные источники финансирования, и международные, но сначала нужно его показать". И это, в общем, дает надежду на то, что проект новосибирских ученых обретет партнеров.
– Уже сейчас ясно, что в конце нас ожидают результаты, которые могут оказаться очень важными для термоядерной энергетики будущего. Очень важно, чтобы такая перспективная наука развивалась, нужно, чтобы присутствовала не только генерация идей, но и возможность очень быстрой их реализации, – говорит Антон Судников.
