Зажечь плазму для термояда и сделать зеркало для рентгена
Григорий Геннадьевич, само название Института прикладной физики подразумевает широкий спектр исследований, причём с выходом в практические применения. Чем здесь занимаются физики и какие направления в деятельности института вы считаете магистральными?
— Институт у нас большой, 1600 человек, и в нём несколько главных направлений, за которые отвечают научные отделения физики плазмы и электроники больших мощностей, нелинейной динамики и оптики, гидроакустики, геофизических исследований и другие. Многие из них берут начало из ключевых задач, которые ещё до образования института начали решать академик Андрей Викторович Гапонов-Грехов, наш первый директор, и его коллеги. С 21 февраля 2023 года институт носит имя Гапонова-Грехова, и мы считаем, что это крайне важно: когда новый человек приходит в институт, он не всегда знает историю, но имя в названии уже о многом говорит.
Одна из «визитных карточек» института — это, пожалуй, физика плазмы и электроника больших мощностей. Здесь у нас имеются удивительные генераторы — гиротроны, которые придумал Гапонов-Грехов. Вернее, он ещё в начале 1960-х годов показал, что вращающиеся электроны в магнитном поле можно заставить излучать синхронно, когерентно, с очень высокой эффективностью.
На этой основе созданы очень мощные генераторы, которые имеют частоту, промежуточную между используемой в оптической и традиционной сверхвысокочастотной (СВЧ) технике. Если у вас есть микроволновая печь, то длина волны там около 15 см. У лазеров длина волны порядка 1 микрона — одной десятитысячной сантиметра, а у гиротрона длина волны — миллиметр. С одной стороны, излучение гиротрона — это почти СВЧ, а с другой — пучок распространяется направленно, как оптический луч.
— И где они применяются?
— Для современных установок управляемого термоядерного синтеза — токамаков (это такой «бублик» с магнитным полем, тороидальная камера с магнитными катушками — так он и расшифровывается) требуются именно такие частоты. В них излучение гиротронов по нескольким каналам поступает в плазму и играет несколько ролей. Чтобы пошла термоядерная реакция, плазму надо нагреть до 100 млн градусов. Плазма в токамаке находится в сильном магнитном поле, там электроны крутятся с частотой, совпадающей с частотой этого излучения, и, поглощая его в резонансе, нагревают плазму. Важна также стабилизация неустойчивостей плазмы: плазма норовит то на стенку осесть, то ещё как-то ускользнуть. И оказывается, что только гиротроны позволяют локально подогревать плазму, управлять подавлением этих неустойчивостей. Ещё для устойчивости в токамаке нужен азимутальный ток, и его можно создать при определённом введении пучков гиротронного излучения в камеру. Появляются магнитные линии, которыми плазма и удерживается, устойчивость системы повышается. Ни один токамак мира сейчас не рассматривается без гиротронов.
Институт участвует в проекте ИТЭР (ITER, International Thermonucleart Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор. — Прим. ред.). Это самый большой физический проект в мире. Оценка его стоимости — 25 млрд евро, и подозреваю, что сумма далеко не окончательная. По проекту сначала планировались системы нагрева из 24 гиротронов, каждый из которых даёт мегаватт непрерывного излучения, а сейчас рассматривается увеличение числа гиротронных систем до 40 или даже до 60.
Метод электронно-циклотронного нагрева оказался удачным подходом и успешно развивается. Причём гиротрон имеет очень высокий коэффициент полезного действия (КПД), у наших гиротронов 50—55%. Это достаточно много. Хотя не всё так просто. Если КПД 50%, то половина мощности электронного пучка идёт в излучение, половина — на коллектор, который нагревается. Так вот, коллектор охлаждается двадцатью литрами воды в секунду. Два ведра в секунду, иначе мегаватт с коллектора не убрать.
— В чём задача проекта ИТЭР?
— Удерживать плазму в токамаках уже умеют, но для протекания реакции необходимо выполнение так называемого критерия Лоусона, который содержит в себе, кроме температуры, время удержания и концентрацию плазмы. На некоторых установках его удалось выполнить, но не столь долго — буквально секунды. Цель международного проекта ИТЭР — продемонстрировать физическую возможность горения разряда 500—1000 секунд с КПД более 10. То есть на вложенную энергию должно производиться энергии в 10 раз больше. Подчёркиваю, КПД там 1000%, не как мы привыкли — 20—50%. ИТЭР не будет экспериментальной электростанцией, это физическая установка, цель которой — продемонстрировать большой КПД термоядерной реакции.
После ИТЭР предполагаются исследования концепции установки DEMO. Она будет прототипом электростанции — это установка, которая производит электроэнергию, не просто тепло. Тут уже мировое сообщество разделилось, и многие группы и страны выбрали свои пути, потому что ИТЭР — международный проект, но международная бюрократия тормозит процесс. Только представьте: Европа, США, Япония, Корея, Индия, КНР, Россия, Казахстан — как они могут договориться такой командой? Причём это делается во Франции, в Комиссариате по атомной энергии. Там такая бюрократия! Поэтому на DEMO многие страны выбрали свой путь.