Зачем в Курчатовском центре запустили искусственное Солнце

В минувший вторник премьер-министр Михаил Мишустин и министр науки и высшего образования Валерий Фальков приняли участие в запуске термоядерного реактора Токамак Т-15МД. Он создан в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» и стал первой за 20 лет новой термоядерной установкой, построенной в России. Почему это важно? И какое значение имеют научные эксперименты в области термоядерного синтеза? Об этом "Комсомолке" рассказал Владимир Рожанский, профессор Высшей инженерно-физической школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (вуз - участник Проекта 5-100):

1. Что такое токамак и какие термоядерные реакторы существуют в мире на сегодняшний день?

В 50-е годы прошлого века в СССР у ученых возникла идея создать искусственное Солнце на Земле. Это как раз то, что понимается под словами «управляемый термоядерный синтез». В это время был придуман токамак - ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками, в которой мог быть реализован управляемый термоядерный синтез. При настолько высоких температурах любой газ переходит в состояние плазмы, и плазма в такой ловушке удерживается магнитным полем, которое создается специальными катушками - отсюда и название.

Постепенно создание токамаков охватило весь мир. Они уже существуют во многих странах, второй по величине токамак-реактор ITER сейчас строится усилиями ученых со всего мира на юге Франции. На ITER должна быть получена самоподдерживающаяся термоядерная реакция, то есть затраты на нагрев плазмы должны быть меньше, чем та энергия, которая будет выделяться в результате управляемого термоядерного синтеза. Планируется, что этот реактор должен войти в строй к 2025 году. Самый большой в мире токамак-реактор следующего поколения - CFETR будет запущен в 2030 году в Китае.

2. В чем отличие токамака Т-15 МД?

Токамак в Курчатовском институте не очень крупный. В мире существуют аналогичные установки, в том числе есть другой российский токамак «Глобус-М» в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе. Новый токамак отличается от остальных своим планом исследований. В частности, на этом токамаке будет исследована возможность использования токамака как источника нейтронов (если токамак все время нагревать, то он будет испускать нейтроны). Российские ученые планируют создать гибридный реактор. Что это значит? Если этот токамак станет частью атомной электростанции, и нейтроны направить в ядерный реактор, то это значительно повысит эффективность атомной электростанции. В России подобные исследования проводятся впервые.

Кстати, в разработке токамака Курчатовского центра участвовали ученые Петербургского Политеха. Научная группа рассчитывала параметры газового инжектора для токамака. В чем его роль? Если в токамаке возникает какая-то внештатная ситуация, то необходимо запустить газ внутрь реактора. Механизм уже был апробирован на других установках и будет применяться на новом токамаке Т-15 МД.

Также стоит отметить, что научная группа Высшей инженерно-физической школы СПбПУ уже многие годы занимается решением одной из основных проблем управляемого термоядерного синтеза - взаимодействием горячей термоядерной плазмы с материальными поверхностями установки токамака. Научная группа СПбПУ зарекомендовала себя в работе над международным термоядерным реактором ИТЭР (ITER). В этом проекте ученые занимаются расчетами пристеночной плазмы, а именно вопросами, как и какие примеси будут поступать в реактор, как будет перераспределяться мощность, которая идет из центральной зоны, и так далее. Для этого специалистами из Политехнического университета был разработан специальный численный код - SOLPS-ITER. Сейчас он объявлен как официальный для расчета параметров пристеночной плазмы не только ITER, но и всех существующих установок.

3. Когда термоядерный синтез станет приносить пользу?

Через 20-30 лет термоядерный синтез заменит атомную энергетику. Человечество получит практически неисчерпаемую «зеленую» энергию. Постепенно приходит осознание того факта, что атомная энергетика на реакциях деления не может быть использована в перспективе из-за экологических проблем - проблема утилизации отходов, возможных аварий и т.д. Да и ее коммерческая привлекательность существенно падает из-за расходов, необходимых при выводе реакторов из эксплуатации. Неслучайно многие страны постепенно отказываются от атомной энергетики. Термоядерная энергетика свободна от этих недостатков.

4. Могут ли исследования в области термоядерного синтеза принести практическую пользу помимо энергетики.

Известная всем компьютерная томография изначально появилась на токамаке для двумерного определения различных параметров. Кроме того, конструкция диверторных пластин в реакторе, которая подвергается сильнейшему тепловому воздействию, была разработана для токамаков, а затем заимствована в США для конструирования обшивки космических шаттлов.