Более 70 лет назад человечеству удалось осуществить неуправляемую термоядерную реакцию. С тех пор мы мечтаем сделать выделение энергии синтеза управляемым — «медленным», как от реакций деления на АЭС. Результатом будет неисчерпаемый и доступный источник энергии.
О будущем этого перспективного направления энергетики и возможности создания автомобиля на термоядерном реакторе мы поговорили с Игорем Михайловичем Позняком, начальником лаборатории плазмодинамики АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», заместителем заведующего кафедрой плазменной энергетики ЛФИ МФТИ.
Что такое управляемый термоядерный синтез (УТС)?
Начнем с основ. При горении, которое известно нам с доисторических времен, идет перестройка электронных конфигураций атомов, но сами атомы остаются те же, просто соединены они по-другому. В ядерных реакциях, открытых в прошлом столетии, перестроение идет на уровне ядер — одни химические элементы превращаются в другие.
К ядерному делению с выделением энергии склонны тяжелые вещества, расположенные в конце таблицы Менделеева, а вот вещества из начала таблицы, наоборот, склонны к синтезу — слиянию с образованием более тяжелых ядер. При этом также выделяется энергия. Из-за огромных температур, которые для этого необходимы, такие реакции называются термоядерными.
Топливо для термоядерного реактора можно выделять из воды. В 1,5 литрах воды содержится 0,015 г дейтерия, изотопа водорода. Его синтез даст столько же энергии, сколько сжигание 360 литров — считай, ванны! — бензина.
Раз используется вода, получается, термоядерный синтез безопасен для человека?
При синтезе все же образуются интенсивные потоки нейтронов и в конструкциях реактора возникает радиоактивность. Но зато нет долгоживущих радиоактивных отходов и чисто физически невозможен неуправляемый разгон реактора. При любой нештатной ситуации реакция просто гаснет.
Токамак – конструкция, которая позволит добиться термоядерного синтеза?
Она не единственная. Существует два крайних способа достижения термоядерного синтеза. Первый — системы с инерциальным удержанием. Термоядерное топливо сжимают до плотностей в 100-1000 раз больше плотности твердого тела и «поджигают» с помощью лазеров. Реакции протекают настолько быстро, что топливо можно не удерживать. Наиболее продвинутая установка в этом направлении — NIF (National Ignition Facility).
Второй способ — системы с магнитным удержанием. В них относительно редкая плазма с помощью сильного магнитного поля удерживается и «горит» вдали от стенок вакуумной камеры реактора. Пример — международный токамак-реактор ИТЭР.
Какой из путей более перспективен?
Полагаю, в области коммерческого производства электроэнергии будущее за системами с магнитным удержанием. Однако оба подхода дают колоссальное количество научных данных. Да и развитие экспериментальной техники само по себе создает новые технологии. Так сверхпроводники, созданные в проекте ИТЭР, могут найти широкое применение в медицине для создания томографов (МРТ).
Как устроен токамак ИТЭР?
Токамак — по сути огромный трансформатор. В простейшем варианте это железный стержень, на которой рядом намотаны две обмотки – катушки. Если вы пропускаете переменный ток по первой, то по закону электромагнитной индукции во второй также будет возникать ток.
В токамаке «вторая обмотка» — это вакуумная камера в виде бублика. При включении тока там возникнет вихревое электрическое поле, под действием которого газообразное термоядерное топливо превратится в плазму. Если ее нагреть более 100 млн. градусов, то начнется интенсивный термоядерный синтез. Нейтроны, образующиеся в ходе реакций, будут отдавать свою энергию и нагревать бланкет – специальный слой стенки, пронизанный множеством трубок с теплоносителем. Отведенное от стенки тепло можно будет использовать для производства электроэнергии.
Можно сделать ИТЭР поменьше?
Главное строение ИТЭРа – это цилиндр с десятиэтажное здание высотой и такого же диаметра. Такие размеры необходимы для создания подходящих физических условий – чтобы плазма была хорошо термоизолирована от стенок и выделение энергии превышало энегозатраты на запуск реакций синтеза. Установку можно уменьшить за счет увеличения удерживающего плазму магнитного поля. Именно это мы попробуем сделать при создании отечественного токамака с реакторными технологиями — ТРТ. Он будет в 1,5-2 раза меньше ИТЭР, и позволит интегрировать международные разработки в отечественную термоядерную программу.
Конечно, уменьшение размеров влечет за собой и некоторые проблемы. Например, стенка ТРТ должна будет противостоять в 3-4 раза более интенсивным тепловым потокам, чем ожидается в ИТЭР. Придется изобретать что-то новое, например – создавать жидкометаллическую стенку.
Когда-нибудь появятся автомобили на термоядерной энергии?
Вряд ли термоядерный реактор будет использоваться в качестве двигателя автомобиля. Не в ближайшую сотню лет. Но вот то, что заряжаться электромобили будут от электросети, питаемой от термоядерных реакторов, — в этом я почти не сомневаюсь.
Вы любили физику в школе?
Очень. Смысл физики — познать суть явлений и вещей, разобраться в деталях, заметить в мелочах что-то важное и на основе этих знаний создать что-то новое. Она позволяет делать невозможные вещи возможными.
Что советуете читать тем, кто хочет побольше узнать об УТС?
Лукьянов С.Ю., Ковальский Н.Г. «Горячая плазма и управляемый ядерный синтез». Написана простым языком без вывода сложных формул. Основное внимание уделяется физической сути происходящего в термоядерном реакторе. И очень хорошо описан путь, который прошло человечество, пытаясь зажечь Солнце на Земле.
Что вам нравится в научной деятельности?
Разноплановость: ты и электронщик, и программист, и конструктор, и писатель. Нужно уметь планировать исследования и эксперименты, разрабатывать приборы для измерений, обрабатывать данные, выступать на конференциях и писать статьи. Наблюдать за природой непросто, еще сложнее убедиться, что ты правильно все понял!
Если бы вы не пошли в науку, кем бы стали?
Наука — подход к жизни. Способен ли ты начать делать что-то не так, как привык? Готов ли постоянно искать что-то новое, сомневаться? Я бы связал свою жизнь с техническими специальностями или медициной. В этих сферах тоже можно делать невероятные вещи.
Узнать больше о госкорпорации «Росатом», получить полезные знания, освоить навыки в области эмоционального интеллекта, цифровизации, маркетинга, управления проектом и устойчивого развития можно с помощью онлайн-курсов для школьников и студентов.
Почему вы выбрали именно УТС для своих научных исследований?
Когда погружаешься в науку, хочется работать над задачей, на которую не жалко потратить жизнь. Задачей, решение которой выведет человечество на новый уровень. Управляемый синтез — одна из таких.
О том, куда пойти учиться, чтобы поучаствовать в развитии технологий термоядерного синтеза, мы спросили у Анны Глушковой, главного специалиста проектного офиса по развитию кадрового научного потенциала частного учреждения «Наука и инновации» Госкорпорации «Росатом»:
Профессия физика-ядерщика сложная, но очень интересная. Для научной работы в области ядерной физики (и конечно, термоядерного синтеза и плазменных технологий как направлений этой науки) потребуется высшее образование. Таких специалистов в техникумах, колледжах и, тем более, на курсах не готовят. Для повышения вероятности успеха мы рекомендуем рассмотреть возможность поступления в профильное учебное заведение ещё на стадии обучения в школе, например, в Заочную физико-техническую школу МФТИ или Специализированный учебно-научный центр (факультет) – школу-интернат имени А.Н. Колмогорова Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Далее при подготовке к поступлению в университет абитуриенту следует подготовиться к серьезной нагрузке и сложной учебной программе, она требует хорошего знания профильной математики, физики. По этим предметам, а также русскому языку нужно будет сдать ЕГЭ. В некоторых вузах вместо ЕГЭ по физике можно предоставить результаты ЕГЭ по информатике: если Вы поступаете в такой вуз, мы рекомендуем в любом случае иметь достаточно высокий уровень знаний по физике, без него учиться и проводить исследования будет очень сложно.
Есть две учебные траектории. Можно закончить бакалавриат в области ядерной физики и продолжить его специализацией в магистратуре. Приоритетным вариантом в этом случае будет один из ведущих вузов страны – МФТИ. Также мы рекомендуем НИЯУ МИФИ и его филиал ИАТЭ НИЯУ МИФИ в Обнинске, МГУ, НИУ МЭИ, УрФУ, СПбПУ. Направления подготовки: «Прикладные математика и физика», «Ядерная физика и технологии», «Ядерная энергетика и теплофизика», «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг». Затем обучение можно продолжить в магистратуре, например, по специальности «Высокотехнологические плазменные и энергетические установки».
В социальной сети «ВКонтакте» создано сообщество «Наука «Росатома» для школьников», где анонсируются полезные мероприятия, конкурсы, научные активности для старшеклассников, приняв участие в которых школьники смогут прокачать знания, навыки и стать на шаг ближе к своей цели – карьере учёного!
