Евгений Маренков: Стенка термоядерного реактора должна быть жидкометаллической

В конструкции большинства современных термоядерных реакторов-токамаков предусмотрен дивертор – специальная конструкция, которая позволяет удерживать примеси, попадающие в плазму в результате ее взаимодействия с материалами токамака, и таким образом обеспечивать высокую чистоту плазмы. Именно на локальную область пластин дивертора, находящихся в нижней части реактора, приходится основная плазменная нагрузка. О концепциях использования жидкого металла для защиты дивертора и внутренних стенок термоядерного реактора мы беседуем с доцентом кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Евгением Маренковым.

– Евгений Дмитриевич, какие проблемы вы видите в существующих конструкциях токамаков? Что вам в них не нравится?

– Не то чтобы не нравится… Ну вот, например, ИТЭР – это токамак с цельнометаллической стенкой. В ИТЭР вся стенка будет сделана из вольфрама и пластины дивертора тоже будут сделаны из вольфрама.  Токамаки с полностью металлической стенкой существуют, и опыт работы на них в общем положительный: можно поддерживать разряд в плазме довольно длительное время, где-то до 10 минут. Есть надежда, что правильно управляя плазмой, можно контролировать нагрузки на стенку токамака и дивертор, так что ничего нигде не разрушится или не расплавится. Однако существующие токамаки - исключительно экспериментальные. Они работают в режиме экспериментальных кампаний: токамак работает примерно месяц, потом установку открывают и, чинят все, что поломалось. Но промышленный реактор так не может работать! Промышленный реактор должен работать  24 часа, 7 дней в неделю. Вы не можете его каждые два часа останавливать на починку. Тем более, что такое «открыть» токамак?  В токамаках такого размера используются сверхпроводящие катушки. Камеру надо сначала нагреть, потом только открыть, а после окончания работ нужно камеру откачать, охладить, в общем, подготовка к работе после остановки тоже занимает минимум месяц. Поэтому, с одной стороны, вроде все хорошо, реакторы с твердой металлической стенкой как-то работают и демонстрируют, что могут достаточно долго держать плазму в приемлемом состоянии. Но, с другой стороны, неясно, можно ли это сделать в промышленных масштабах. Одно дело работать краткосрочными кампаниями, а другое дело - держать установку в работе все время.

– Думаете, не получится?

– Строго говоря, мы это не узнаем, пока ИТЭР не заработает. Но уже сейчас люди задумываются над альтернативными вариантами, которые бы позволили сделать внутреннюю стенку реактора самовозобновляемой. И прежде всего, самовозобновляемыми должны быть пластины дивертора, потому что на них приходятся наибольшие нагрузки. Если стенка самовозобновляемая, то даже если что-то случилось, например, произошел срыв разряда и большой выброс энергии на стенку, то это не приводит к катастрофическим последствиям.

– А как добиться самообновления?

– Для этого можно сделать жидкометаллическое покрытие, которое все время течет. И тогда, даже если у вас произошел какой-то локальный выброс тепла, то это ничего не сломает – при условии, что металл протекает хорошо и быстро. Это может относиться и к дивертору, и к первой стенке.

– Какие же металлы могут течь?

– В основном рассматриваются два металла: в первую очередь, литий и во-вторую – олово, или их сплав. Но скорее всего это литий, потому что он легкий, и его попадание в плазму не катастрофично, в отличие от олова, которое довольно тяжелый материал - как и вольфрам. Кстати, максимальная концентрация вольфрама в плазме - 0,01%, если вы превысили этот уровень - то все, у вас разряд погиб, что накладывает очень жесткие требования на работу вольфрамового токамака. С литием эта концентрация может быть намного выше. Есть даже исследования, которые показывают, что в принципе попадание лития в плазму может даже иметь положительный эффект, например, улучшать устойчивость плазмы. Кстати, в ТРИНИТИ в Троицке активно занимаются литиевыми экспериментами на токамаке Т-11М. Мы тоже интересуемся литием как элементом для возобновляемой первой стенки токамака и, прежде всего, дивертора.

–А как заставить литий правильно течь по стенке реактора?

– Для этого нужно разработать модули, из которых будет набираться дивертор и первая стенка, по которым может литий течь. Литий забирается из резервуара, по поверхности протекает и уходит назад, в резервуар, таким образом он циркулирует по стенке реактора.  Сегодня предложено несколько конструкций такого модуля и они уже испытываются экспериментально, правда, не на токамаках, а на линейных плазменных установках. Одна из наиболее перспективных конструкций предложена российскими учеными, это так называемая капиллярно-пористая структура. Там литий течет по сеточке, которая способствует его лучшему удержанию и стабильности течения.

–В натурных экспериментах жидкометаллические поверхности уже испытывали?

– Их тестируют, но на токамаках экспериментов с такими элементами очень мало, они сейчас в основном делаются на линейных плазменных установках, поскольку они и проще, и доступнее. Пока что не было такого токамака, который был бы построен полностью по этой технологии, так что это скорее идея на перспективу. И мы в МИФИ на кафедре физики плазмы занимаемся теорией дивертора с литием. Для этого мы используем код SOLPS-ITER, который используется в ИТЭР для моделирования пристеночной плазмы и дивертора. Но в этом коде не было возможности моделировать жидкометаллические элементы. Для этого нужно включить в модель SOLPS-ITER соответствующие процессы. Мы были первыми, кто смог решить эту задачу. Нами создан программный модуль для SOLPS-ITER который позволяет полноценно моделировать пристеночную плазму токамака с литиевым покрытием.

– Вы делаете расчеты для ИТЭРа?

– Пока мы работаем с  конфигурацией токамака Т-15МД, работающим в Курчатовском институте.  Но код SOLPS-ITER универсальный, его можно применить в принципе к любому токамаку, в том числе и с нашими изменениями.

– И каковы результаты?

– Мы видим как плюсы, так и минусы. Плюс заключается в том, что жидкий литий дает так называемый эффект экранирования. Когда у вас литий испаряется в плазму, то его ионизированный пар служит своеобразным экраном, который снижает нагрузку на пластины дивертера. Раньше такой эффект наблюдался на линейных плазменных установках, но на токамаках его пока никто не видел. Но поскольку мы сделали полноценную модель, то мы были способны его увидеть, хотя бы в численном расчете.

Минус же заключается в том, что количество лития, которое поднимается вверх, в пристеночную плазму, к сожалению, оказывается достаточно большим, а это, соответственно, не очень хорошо для плазмы. Нам надо как-то научиться делать так, чтобы этот литий лучше удерживался в диверторе.

– Какие ваши дальнейшие планы?

– Естественно, мы будем продолжать то, что мы делаем. В будущем, как я надеюсь, наш программный модуль будет доступен в коде SOLPS-ITER, и значит, им смогут пользоваться ученые всего мира. Хотя в токамаке ИТЭР использование лития не запланировано, интерес к этой идее сейчас очень высокий. Наш российский проект ТРТ (Токамак с Реакторными Технологиями) включает литиевую программу, поэтому там есть большой интерес к нашим расчетам.

– Вы сами, как ученый, интуитивно чувствуете, верите, что может быть токамак с литиевой стенкой?

– Мне представляется, что токамак с цельнометаллической стенкой, может быть и будет, но это будет настолько дорого и сложно, что у меня есть большие сомнения, насколько реально такую конфигурацию использовать в масштабе промышленных термоядерных электростанций. Я думаю, что жидкометаллические покрытия являются совершенно реальной перспективой, может быть, это будет не чистый литий или олово, но стенка и дивертор токамака должны быть самовозобновляемыми.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ