Управляя «Солнцем»: как российские ученые создают систему диагностики для термоядерного реактора

Термоядерный синтез считается одним из самых перспективных источников энергии. По энерговыделению на единицу массы топлива он превосходит все известные сегодня технологии. Чтобы овладеть этой энергией, последние десятилетия в России ведутся активные разработки. Одним из таких проектов занимаются в научном институте Госкорпорации «Росатом» в Троицке под руководством начальника лаборатории систем диагностик Александры Карташевой. Ее команда участвует в разработке диагностического комплекса токамака — ключевого элемента в установках термоядерного синтеза. Какие методы позволяют измерить плазму? Что самое сложное в создании токамака? И когда наступит эра термояда? Ученый рассказала о своих исследованиях и ответила на вопросы порталу Наука.рф.

 — Александра, поясните пожалуйста, что такое сверхгорячая плазма? Как она связана с термоядерной энергетикой?

 — Почти все вещество во Вселенной находится в состоянии плазмы, то есть ионизированном газе: звезды и их атмосферы, туманности, межзвездный газ. Именно в такой среде протекают термоядерные реакции — процессы, при которых легкие атомные ядра сливаются, образуя более тяжелые, в результате чего высвобождается колоссальное количество энергии. Это единственное природное явление, напрямую связанное с генерацией энергии.

Ближайшая к нам звезда, Солнце, — это настоящий термоядерный реактор с огромной массой. Там плазма удерживается благодаря гравитации: огромная масса звезды не дает веществу растекаться. На Земле наш объем плазмы гораздо меньше, поэтому удерживать ее с помощью гравитации невозможно. Приходится использовать магнитное поле. Для этого проектируют специальные установки, основные из них — токамаки.

Овладеть таким источником энергии, как термоядерный синтез — с учетом размеров нашей планеты, доступных материалов и технологий — одна из самых перспективных задач будущего.

 — Как эти технологии сейчас развиваются в нашей стране?

 — В России термоядерные исследования проходят по национальному проекту «Новые атомные и энергетические технологии». Работу выполняет Госкорпорация «Росатом» совместно с Курчатовским институтом, институтами Российской академии наук и вузами.

Сейчас совместные труды многих российских ученых в области управляемого термоядерного синтеза (включая сотрудников нашего института) сосредоточены на создании технического проекта токамака с реакторными технологиями (ТРТ).

По задумке он будет лучшим в мире, с магнитной системой из высокотемпературного сверхпроводника. Для создания этой установки применяются оригинальные решения: новые материалы, уникальные системы защиты первой стенки, наличие передовых технологий по нагреву плазмы, набор современных диагностических средств и многое другое. В этом году мы заканчиваем технический проект ТРТ. Надеемся на дальнейшее устойчивое развитие в этой области.

 — Какой вклад в проект вносит ваша команда?

 — Как я уже говорила, одна из главных целей токамака — сделать термоядерный синтез управляемым. Эту задачу невозможно выполнить без знаний о ключевых параметрах плазмы. Их необходимо измерять, чтобы поддерживать работоспособность реактора. Получить эти данные можно с помощью диагностического комплекса. Он служит интеллектуальным ядром, превращающим нашу физическую установку в управляемый источник термоядерной плазмы. Диагностические системы позволяют регистрировать пространственно-временные профили плазменных параметров и фиксировать процессы в плазме, которые могут привести к нештатным режимам. Данные с диагностик являются входными параметрами системы контроля и управления плазмы токамака, благодаря которой, в свою очередь, удается эффективно удерживать плазму и поддерживать работу систем токамака в безаварийном режиме.

Поэтому наша задача — не просто разработать и реализовать методы измерения параметров, а создать стационарную систему, которая позволит поддерживать автоматическое управление источника термоядерной плазмы.

 — Как создают такую сложную систему для токамака?

 — Многие методы диагностики плазмы известны давно. Основная трудность состоит в том, чтобы применить их в условиях, например, высоких тепловых нагрузок на внутренние элементы токамака. Это серьезно ограничивает размещение диагностических узлов внутри установки. Разработать системы с учетом подобных ограничений — научный вызов для сотрудников нашей лаборатории.

Стоит отметить, что часто диагностические методы приходят из смежных областей. Например, идея для контроля параметров первой стенки токамака в условиях высоких тепловых нагрузок пришла из материаловедения, где нужно измерять температуру образцов под воздействием мощных плазменных потоков.

Кроме того, нам нужно измерять параметры пылевой компоненты плазмы* в токамаке. Эти данные критичны для устойчивого удержания плазмы и безопасной работы установки. Методы для ее диагностики пришли в термоядерный синтез из космических исследований. В этой области нетривиальной задачей является изучение плазменно-пылевых систем у поверхности безатмосферных тел и планет.

 — На какой стадии сейчас находятся ваши разработки?

 — В диагностическом комплексе будущего токамака ТРТ заложено около 20 диагностик. Принципы работы части из них уже проверили на установках с термоядерной плазмой. Но работа над этим уникальным проектом требует инновационных решений, в том числе для диагностического комплекса установки. Отрабатывать их можно как с помощью стендовой и испытательной базы систем токамака (например, при создании уникальной диагностики температуры ионов плазмы), так и на цифровых моделях, с помощью специальных программ (например, когда нужно проверить стыковку узлов диагностического комплекса с другими системами токамака). Это помогает скорректировать проект и избежать ошибок.

 — Какими еще исследованиями занимаются в вашем институте?

 — Наши сотрудники активно участвуют в работах, связанных с реализацией крупнейшего международного проекта ИТЭР (англ. ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor — международный термоядерный экспериментальный реактор). Россия является одним из ключевых участников этого проекта. Наша страна изготавливает и поставляет высокотехнологичное оборудование и основные системы реактора, на 100% выполняя свои обязательства. Накопленный в этом участии опыт позволяет облегчить процесс проектирования некоторых диагностических систем и служит базой для разработки принципиально новых решений в нашем комплексе.

 — Что самое трудное в разработке технологий для токамака?

 — Реализация любой системы токамака связана со сложностями интеграции: нужно встроить ее в конструкцию, защитить от тепловых нагрузок, наладить взаимодействие с системой контроля и управления. Например, нетривиальная задача — установить все диагностические системы в вакуумную камеру токамака. В патрубках могут соседствовать до пяти диагностических систем. Нужно грамотно разместить узлы, обеспечить автоматическое управление, продумать системы откачки и охлаждения — все это требует совместной работы специалистов разного профиля: конструкторов, физиков-плазменщиков (как теоретиков, так и экспериментаторов), электронщиков, вакуумщиков, теплофизиков.

Достичь успехов в этом нам удается благодаря сотрудничеству с отраслевыми институтами, Российской академией наук и университетами. В то же время мы стараемся выстраивать систему подготовки кадров на базе нашего института в Троицке, привлекаем молодых специалистов из разных направлений.

 — Кстати, о молодых специалистах. Вы являетесь наставником студентов, участвующих в программе научных стажировок «Росатома». Какими навыками должны обладать ваши будущие коллеги?

 — Разрабатывать комплекс диагностики для токамака — сложная и масштабная задача. В первую очередь, для этого нужны компетенции в области физики плазмы. Ключ к успеху — слаженная работа команды единомышленников. Так сложилась судьба, что научный коллектив, с которым я сейчас работаю, — это участники и выпускники программы научных стажировок «Лаборатория роста Росатома».

Эта программа позволяет пройти стажировку на предприятиях Госкорпорации уже после второго курса. На мой взгляд, это отличный способ для молодого специалиста не только получить полноценный опыт и проверить свои силы, но и определиться с областью научных интересов. К тому же, участие в ней может дать хорошую базу для будущей кандидатской диссертации. Для руководителей это тоже полезный опыт — работа со студентами позволяет быть в курсе новых научных веяний, совершенствовать методы обработки и анализа информации.

 — С какими мифами о термоядерной энергетике вам приходится сталкиваться чаще всего?

 — Бытует мнение, что какой бы год ни был на дворе, до эпохи термояда все равно будет оставаться 75 лет. На мой взгляд, это не так. Термоядерный синтез считается источником энергии будущего, он обладает практически безграничной топливной базой, экологичен, безопасен и имеет самую высокую энергоемкость топлива. Развитие исследований в этой области сейчас набирает обороты.

Основываясь на последних публикациях коллег, думаю, не будет ошибкой предположить, что промышленной освоение термояда состоится уже к 50-м годам текущего столетия. Еще не одно поколение молодежи придет в эту сферу — не только как в отрасль промышленности и технологий, но и науки. Наша задача — идти по пути прогресса.

 — Что вас больше всего вдохновляет на этом пути?

 — Стремление к познанию, любопытство. В детстве, рассматривая звездное небо, я всегда задавалась вопросами: почему звезды светят по-разному? Каковы границы Вселенной? В школе я поняла, что ответы на них дает физика. Но каждый ответ рождал новые вопросы: какие процессы в звездах приводят к выделению энергии? Как это изучить? Сейчас моя научная мысль сосредоточена на том, чтобы «приземлить» энергию звезд, то есть научиться управлять термоядерным синтезом. Работа в этой сфере сложная и увлекательная. Сегодня ты получаешь ответы на одни вопросы, а завтра появляются новые, не менее интересные. Поэтому в моей жизни всегда есть место для детского любопытства, а бесконечная радость познания дает стимул для движения вперед.

Еще, конечно, на плодотворную реализацию задач меня вдохновляют люди. Высокая вовлеченность сотрудников воодушевляет решать самые разные вопросы, в том числе стараться снабжать лабораторию всем необходимым для работы. Научные успехи коллег и конкурентов заставляют держать руку на пульсе в исследованиях. А необходимость создавать для молодых ученых комфортные условия, привлекать их к проектам и помогать адаптироваться на новом месте позволяет решать не только научные, но и общественные, социально значимые задачи.

Беседовала Анна Шиховец