Мир УТС: дела и годы

В июле 1950 года в ЦК ВКП(б) поступило письмо от сержанта Олега Лаврентьева, служившего на Сахалине и не имевшего к тому времени даже законченного школьного образования. В письме содержалось описание двух идей: возможной схемы водородной бомбы и способа электростатического удержания горячей плазмы для осуществления реакции синтеза дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода с целью создания источника энергии. Академик А.Д. Сахаров, рецензировавший эти предложения, отметил оригинальность подхода и принципиальные трудности реализации идей. Однако главная заслуга О.А. Лаврентьева, ставшего впоследствии известным ученым, в том, что он первым в СССР обратил внимание на проблему удержания горячей плазмы для энергетического реактора на основе реакций синтеза. Анализ его предложения стимулировал А.Д. Сахарова и его учителя академика И.Е. Тамма, работавших в то время над созданием водородного оружия, на рассмотрение концепции магнитной термоизоляции и удержания плазмы в тороидальной геометрии. В мае 1951 года вышло постановление ЦК ВКП(б) и Совмина СССР об организации работ по управляемому термоядерному синтезу.

В 1954 году в Институте атомной энергии под руководством И.Н. Головина и Н.А. Явлинского был построен первый в мире токамак ТМП. Исследования по проблеме УТС проводились также в других странах. В США основной была установка стелларатор, предложенная Л. Спитцером, в Англии — тороидальный пинч со слабым магнитным полем. В Институте атомной энергии академик Г.И. Будкер, а в США Р. Пост предложили прямолинейную открытую магнитную ловушку с нарастающим к торцам магнитным полем для удержания плазмы в ее центральной области. Под руководством И.Н. Головина была сооружена первая крупная установка такого типа — «Огра».

Начальный этап российских и зарубежных работ характеризовался обилием идей и типов установок, причем разнообразие было связано и с творческой активностью физиков и инженеров, и с громадными трудностями реализации условий термоядерных реакций. Недостаточным оказался уровень знаний — потребовалось развить теорию горячей плазмы, удерживаемой магнитными полями. Постоянно выявлялись новые неустойчивости, приводящие к выбросу плазмы из ловушек, повышенному переносу как частиц, так и энергии на стенки камеры. Поиски новых решений позволили создать уникальные новые технологии и устройства, например плазменные ракетные двигатели и метод модификации поверхностных слоев материалов плазменными и ионными потоками.

В конце 50-х годов были сформулированы основные принципы магнитного удержания плазмы, создана теория равновесия и устойчивости плазменного шнура с током в магнитном поле, в 70-х годах бурное развитие получила физика нелинейных явлений, весьма распространенных в плазменных процессах. Наряду с теоретиками достигли успеха и экспериментаторы, в основном благодаря тому, что осознали важность процессов взаимодействия плазмы со стенкой камеры и снизили уровень поступающих примесей, а также поняли, насколько необходимо создание точной конфигурации магнитных полей.

К 1968 году при омическом нагреве плазмы на токамаке Т-3А температуры электронов и ионов достигли 20 млн. и 4 млн. градусов соответственно. В 1975 году в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова начал работать крупнейший в то время токамак Т-10. Расширение фронта исследований привело к открытию многих новых физических явлений и способов управления формой и положением плазменного шнура. Были найдены разнообразные режимы разрядов, предложены новые технические усовершенствования, например дополнительный нагрев высокочастотными полями. В ИАЭ впервые в мире был построен токамак Т-7 со сверхпроводящей магнитной системой.

В 1978 году США, страны Европейского сообщества и Япония по инициативе СССР приступили к эскизному проектированию токамака-реактора ИНТОР, которое было завершено в середине 1982 года. В 1986 году М.С. Горбачев, Ф. Миттеран и Р. Рейган договорились приступить к проектированию Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER). Работа шла в США, ФРГ, Японии и СССР (более двухсот организаций), в июле 2001 года проект ИТЭР был завершен.

В настоящее время коллективы РНЦ «Курчатовский институт», НИИ электрофизической аппаратуры и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) разрабатывают проект модернизации установки Т-15. Планируют отказаться от сверхпроводящей, дорогой в эксплуатации магнитной системы, ввести вытянутое сечение плазмы, дивертор, средства управления плазменным шнуром. Установка Т-15М моделирует ИТЭР в масштабе 0,25, что позволит совершенствовать диагностику и готовить российскую команду физиков и инженеров к работе на ИТЭРе.

Основной конкурент токамака — это стелларатор, представляющий собой тороидальную ловушку, в которой плазма удерживается магнитными полями сложной конфигурации. У стелларатора есть перспективы, хотя реактор на его принципе будет значительно больше токамака. Крупнейший стелларатор (LHD) построен в Японии, а сооружение еще большего (W7-X) будет завершено в 2011 году в Германии. Продолжаются исследования других типов ловушек — тороидальных ловушек с левитирующими витками, открытых ловушек, объединенных полуторами, открытых магнитных систем.

А теперь вернемся к лазеру. Не возьмет ли он реванш? Появление лазеров с большой мощностью и острой фокусировкой излучения открыло путь к нагреву термоядерной мишени. В 1964 году академики Н.Г. Басов и О.Н. Крохин опубликовали идею прямого нагрева сферической мишени лазерным излучением. Следующее существенное предложение высказал Э. Теллер в 1973 году. Он показал, что лазерное излучение, сконцентрированное на мишени, приводит к испарению ее внешнего слоя и сжатию под действием импульса отдачи. Анализ выявил сильное влияние неоднородности мощности облучения на развитие неустойчивостей при сжатии.

Энергия зажигания термоядерной мишени сильно зависит от характера облучения. Рассматриваются две схемы: прямое и непрямое облучение. В первом случае излучение лазера фокусируется на мишень, однако на практике трудно добиться необходимой (1%) однородности нагрева. При непрямом облучении энергия лазера поглощается промежуточной средой, драйвером, и возникающее излучение обеспечивает равномерное воздействие на мишень. Непрямое облучение требует в несколько раз большей энергии для поджига — плата за однородность. Серьезный технический недостаток лазерного реактора — низкая эффективность преобразования первичной электрической энергии в лазерное излучение.

В мире строятся три крупные лазерные установки, способные приблизиться к получению термоядерной вспышки. В США и Франции — это установки с энергией выходного импульса до 2 МДж, в России — установка «Искра-6» с энергией 0,3 МДж. Время предполагаемого ввода в строй этих лазеров — 2010 год. Вполне возможно, что наряду с демонстрацией вспышки они позволят проверить идеи быстрого поджига термоядерного горения в предварительно сжатой мишени с помощью дополнительного лазера с малой энергией, но ультракоротким импульсом 10^–15 с. Успех этой схемы может привести к существенному снижению требований к величине энергии основного импульса.

Идея использования интенсивных пучков тяжелых ионов для поджига термоядерной мишени — пример взаимного проникновения различных областей физики. Современные ускорители, создававшиеся для исследований по ядерной физике и физике высоких энергий, эффективно и надежно работают в частотном (до 10 Гц) режиме. В будущем энергосодержание учков может быть доведено до нескольких мегаджоулей, а их высокое качество обещает хорошую фокусировку на мишени. Как и в лазерах, не исключен, но обещает быть крайне сложным в реализации режим прямого облучения мишени. Более реалистично непрямое облучение, при котором энергия пучка преобразуется в рентгеновское излучение в полости, содержащей мишень. Но достигнутые параметры пучков далеки от необходимых.

К концу 1960-х годов в СССР окончательно сложилась школа мощной импульсной техники, поэтому идея использования импульсных генераторов мощностью 10¹⁴ Вт для поджига термоядерной мишени была подкреплена эффективной научно-технической базой. В отличие от лазеров и ускорителей тяжелых ионов импульсные генераторы характеризуются простой технологией и высоким уровнем энергии на выходе. В то же время было неясно, как решить проблему передачи энергии на мишень и, что самое главное, как перейти от типичной длительности импульса 100 нс к требуемой 5 нс.

Первоначально в СССР и США развивалась идея концентрации энергии импульса с помощью релятивистских электронных пучков, но преодолеть трудности, связанные с фокусировкой излучения и сокращением длительности импульса, не удалось. В дальнейшем в США основным направлением стала генерация и транспортировка на мишень пучка легких ионов, а в СССР — ускорение лайнеров или Z-пинчей для последующего преобразования их энергии в мягкое рентгеновское излучение. Перед каждым из подходов стояли трудноразрешимые проблемы. В случае легких ионов требовалось сократить длительность импульса и обеспечить необходимую для фокусировки высокую яркость пучка, а в лайнерном варианте — сократить длительность импульса излучения и добиться эффективного поглощения его энергии в поверхностном слое мишени.

В СССР исследования начались на многомодульной установке «Ангара-5-1», построенной в 1984 году в филиале Института атомной энергии в Троицке. Предложенная В.П. Смирновым схема двухоболочечного лайнера, в которой ускоренная внешняя оболочка, соударяясь с внутренней, передает ей энергию, а внутренняя ее переизлучает на мишень, позволила в экспериментах 1989–1992 годов получить энергию импульса мягкого рентгеновского излучения 40 кДж за время 5 нс. Обладая более мощной установкой с током 20 МА, специалисты лаборатории Сандиа (США) достигли энергии излучения 2 МДж при длительности импульса излучения 5–6 нс, что может обеспечить поджиг термоядерной мишени.

По-видимому, лабораторная демонстрация поджига мишени может быть осуществлена в течение 10 лет, но гораздо сложнее разработка термоядерной электрической станции с инерционным удержанием. При энергии драйвера для поджига 5 МДж, коэффициенте усиления поджига термоядерной мишени 100 для достижения тепловой мощности 2 ГВт в вакуумной камере нужно повторять два раза в секунду взрывы, эквивалентные 100 кг взрывчатки. В лазерном или тяжелоионном вариантах драйвера точность фокусировки должна достигать 10 мкм, а для Z-пинчевого драйвера надо два раза в секунду менять токонесущие электроды. Инженерные проблемы таких схем очень сложны.

Экономику будущей термоядерной энергетической станции сегодня, когда еще не реализован ИТЭР, оценить непросто, но доступность топлива для термоядерной электростанции — важный фактор для большинства стран мира. Равнораспределенность топлива смягчит многие мировые конфликты, возникающие из-за крайне неоднородного распределения на земном шаре природных запасов нефти, газа и даже угля. Отметим также, что в последнее время активно рассматриваются варианты двухцелевых термоядерных электростанций, включающих параллельно с выработкой электроэнергии выжигание долгоживущих радиоактивных отходов атомной энергетики, опреснение соленых вод, производство синтетического топлива, в том числе водорода из воды.

Что такое термояд: красивая и увлекательная наука или в первую очередь путь к новой энергетике? Ответ на этот вопрос дадут итоги работы ИТЭРа.

По материалам статьи В.П. Смирнова в «Вестнике РАН», 2003, № 4.