Молодые ученые МИФИ исследуют горячую плазму в токамаке, созданном своими руками

В год науки и технологий в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» создан первый учебно-демонстрационный токамак. В настоящее время токамак «Мифист-0», предназначенный для исследований и подготовки специалистов в области термоядерного синтеза, активно используется в учебно-исследовательском процессе НИЯУ МИФИ. Об этом проекте рассказал его руководитель, старший научный сотрудник Института лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) МИФИ Степан Крат.  

— На текущий момент на токамаке «Мифист-0» получена СВЧ предплазма — это плазма, создаваемая сверхвысокочастотным излучением. Она необходима для облегчения дальнейшего пробоя и создания уже, собственно, плазменного шнура в токамаке. Получено тороидальное магнитное поле в 0,8 Тесла — это одна из основных характеристик токамака как электрофизической установки. Сейчас ведутся инженерные работы, в результате которых к концу сентября ожидаются первые результаты по получению плазменного шнура и созданию тока плазмы.

В токамаке рождается плазма, которая в условиях сильного магнитного поля приобретает форму тороидального шнура. Чтобы плазма не «выхлестнулась» на стенку токамака, необходимо управлять положением шнура и удерживать в течение некоторого количества времени, увеличение которого является одной из целей работы любого токамака. Шнур может быстро менять свое положение, поэтому его контроль является важнейшей задачей. Этому и посвящены эксперименты сотрудников, аспирантов и студентов Института ЛаПлаза НИЯУ МИФИ. Создание установки «Мифист-0» — это уникальный опыт, благодаря которому можно достичь серьезных исследовательских результатов. Токамак создавался с участием студентов и аспирантов.

Степан Крат подчеркнул, что уже прошла первая защита дипломов по результатам работы на учебно-демонстрационной установке.

— В 2021 году три наших студента защитили свои дипломы, проводя научные исследования на установке токамак «МИФИСТ-0». Работа Егора Винницкого была связана с тороидальными катушками и оптимизацией их работы. Егору удалось с помощью математических расчетов смоделировать оптимальную геометрию катушек. Научная работа Станислава Ганина была посвящена оптимизации магнитного поля центрального индуктора и расчетам параметров питания тороидальной катушки. Было проведено более 200 экспериментов, чтобы определить нужное количество витков для получения оптимальной геометрии магнитного поля. Даниил Уласевич проводил исследования, направленные на оптимизацию магнитных полей в катушках полоидального магнитного поля. Хочу подчеркнуть важный момент — эти научные результаты уже реализованы на практике.

— Крупнейший токамак-реактор ITER сейчас строится усилиями нескольких стран, включая Россию, на юге Франции. На ITER должна быть получена самоподдерживающаяся термоядерная реакция. А в чем задача токамака «Мифиста-0»?

— В отличие от крупных установок, таких как Т15-МД в Курчатовском институте, проектируемый сейчас токамак с реакторными технологиями ТРТ, который должен быть построен в ТРИНИТИ в 2028-2030 гг. в рамках программы РТТН, и даже токамак «Глобус-М2», функционирующий в Санкт-Петербурге, наша установка компактнее и проще в управлении. При этом она сохраняет большую часть исследовательского потенциала. Мы не пытаемся конкурировать с крупными установками, мы другая часть экосистемы. В Институте ЛаПлаз на токамаке мы предполагаем заниматься и обучением студентов: например, на «Мифист-0» будут проводиться лабораторные работы. А крупные токамаки не предназначены для образовательного процесса, тем более на младших курсах. Чем больше установка, тем больше на ней работает людей и тем сложнее организовано обслуживание,  приходится планировать на большее время вперёд, поэтому в ней меньше гибкости. Условно, если мы захотим что-то поменять или поместить в камеру нашего токамака для проведения эксперимента — это вопрос недели. И мы можем это сделать практически в любой момент. Мы компактные, мы мобильные. Возможно даже заменить нашу камеру, просто с нуля сделать новую. Поэтому конкурентным преимуществом нашего токамака является его простота, сравнительно небольшие размеры и возможность привлечь студентов к творчеству в области термоядерных исследований. Это прежде всего учебная установка. Мы не работаем с тяжёлыми изотопами водорода. Мы изучаем физику плазмы, используя обычный водород.

— Получается, что «Мифист-0» не имеет отношения к тяжелым изотопам. Тогда что же такое «термояд»?

— «Термояд» в рамках нашего токамака — это изучение свойств горячей плазмы и её взаимодействия со стенкой.  Энергетического выхода при использовании протия ожидать невозможно. Но и риски, связанные с радиацией, в отличие от других токамаков, отсутствуют. Таким образом наши студенты смогут безопасно познакомиться с физикой горячей плазмы.

— Есть ли будущее у термояда? Вы готовы поспорить с Илоном Маском, который его отрицает и говорит о технологиях безопасности атомных реакторов?

— Да, конечно. Илона Маска, конечно, можно уважать. Он отличный менеджер высшего звена, цель которого — привлечение финансирования и высокий уровень организации работы. Но с точки зрения ученого и инженера он во многом ошибается. Его больше волнует проблема будущего энергетического кризиса на планете, и поэтому он говорит о совершенствовании ядерной энергетики на фоне продвижения идей «зеленой» энергетики для сокращения выбросов оксидов углерода в атмосферу.

Илон Маск все же отмечает, что природа владеет этим источником энергии в совершенстве. Природный термоядерный реактор — это звезда. Например, солнце. Правда, мы используем крайне незначительную часть этой энергии, попадающую на Землю в виде солнечного света. Конечно, есть фантастические проекты использования термоядерной энергии звезд, например, сфера Дайсона, но  эта задача пока нерешаемая.

— Какие варианты по производству «зеленой» энергии у нас есть сейчас?

— Во-первых, у нас есть солнечная энергетика. Теоретически возможно ее широкомасштабное использование. Но для того, чтобы обеспечить всю планету солнечной энергией, необходимы сверхпроводящие линии передачи от областей получения энергии до потребителя. А технологии сверхпроводников ещё не отработаны в нужном масштабе. Термояд, я думаю, мы сделаем раньше, чем сделаем сверхпроводящие линии по всей планете. Второй вариант — атомная энергия. Но существуют проблемы с атомными отходами и экологией. А если уж мы спорим с Илоном Маском об освоении солнечной системы, добыче руды на астероидах, или, тем паче, каких-то полётов к звездам, то там у нас выбора, кроме термояда, нет. Как минимум термоядерное топливо легче, чем атомное топливо по весу. Ещё Илон Маск забывает об одной частице, для создания которых термояд необходим - это нейтрон.

— Существует концепция, которая продвигается Курчатовским институтом и которая объединяет лучшее из классических ядерных технологий  и термоядерного синтеза. Это концепция гибридных реакторов, которые сразу решают проблему атомных отходов и делают атомную энергетику безопасной. Мы обкладываем стенку термоядерного реактора, например, отработанным ядерным топливом и зажигаем внутри реактора плазму, которая начинает давать выход нейтронов. Они взаимодействуют с обкладкой и за счет этого реакция деления ядерных отходов ускоряется. При этом получается и полезный выход из обкладки. Таким образом, мы дожигаем ядерные отходы до безопасного уровня, тем самым намного увеличивая коэффициент использования ядерного топлива.

Получается, что в будущем генерировать энергию будут либо термоядерные, либо гибридные реакторы. Но как далеко до этого будущего? Например, Маск говорит, что обещанные «через 20 лет» будут всегда.

— Да, константа в 20 лет существует. Термояд — это один из самых сложных проектов человечества за всю его историю. Проблем в научных и особенно инженерных решениях очень много. Думаю, что срок в 20 лет до промышленной станции действительно реалистичен. За разработку промышленной термоядерной станции активно взялся Китай. Но важно и другое: благодаря небольшим исследовательским установкам, как токамак «Мифист-0», на которых можно производить нестандартные исследования, возможны открытия в ближайшее время. Например, согласно разработанной концепции Леонида Еремеевича Захарова (это ведущий ученый, сотрудник нашей кафедры, который работал у нас в рамках мега-гранта), если сделать определённым образом стенку, то уже на существующих токамаках, которые были построены в 70-е годы прошлого века, можно будет получать положительный выход энергии. Это, например, JET- Британский токамак - самый крупный из действующих в мире. Испытать на нем решение сходу невозможно, потому что это достаточно нетривиальная концепция. Однако, если проверить идею у нас в МИФИ, и она подтвердится, появится основание для дальнейших исследований в том же Курчатовском институте на установке Т-15МД. А от нее недалеко и до британского JET. Наша установка позволяет пойти непроторенным путём, заняться поиском вдали от классического понимания термояда. Поэтому есть вероятность нащупать что-то новое. Так что начало большого успеха в термоядерной энергетике, возможно, находится в МИФИ.

— Сможет ли НИЯУ «МИФИ» тиражировать «Мифист-0» как экспериментальную установку в другие университеты и научные кластеры страны, занимающиеся термоядерной энергией? Допускаете ли то, что спустя некоторое время эти технологии в уменьшенных масштабах перейдут на уровень школ?

— По поводу масштабирования установки — это технологически болезненный вопрос. Почему ITER — большая, огромная установка? Потому что современная физика говорит, что токамаки промышленные должны быть большими. Однако, если говорить об учебных токамаках, то разговор о том, чтобы сделать такой же для «СИРИУСА», был. Мы, МИФИ, идём в правильном направлении и ведём за собой остальных. Так что если и создадут токамак для школьников, то его создадут в нашем Институте ЛаПлаз.

— Природа владеет термоядерной энергией, а зачем человеку термояд?

— Для сохранения цивилизации и её экспансии к звёздам. Для обеспечения бесконечно восходящей дороги в будущее.

— Тогда расскажите, каким вы видите это будущее.

— «В глубине Великого кристалла» Владислава Крапивина — моя любимая книга. Мои студенты уже не знают, кто такой Командор, и это очень грустно. Они даже «Понедельник начинается в субботу» братьев Стругацких не читали. Мне приходится им просто выдавать книги. Я мечтаю работать в Научно-исследовательском институте Чародейства и Волшебства. Собственно, я работаю в НИИЧАВО, если на то пошло. Спасаю человечество от будущего энергетического голода и работаю в «отделе линейного счастья». Электроэнергия — топливо цивилизации. Если обеспечивать человечество достаточно дешёвой, а лучше бесплатной электроэнергией, то цивилизация может развиваться и жизнь может становиться лучше. Мне очень хочется в это верить. Моё видение будущего — это созидательное развитие человечества, технологическое развитие цивилизации для блага людей-творцов.