Сибирский КОТ: новая порода установок для управляемого термоядерного синтеза

Сергей Мурахтин впервые пришел в Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН в 1993 году на практику. Тогда Сергей учился в Новосибирском государственном техническом университете на третьем курсе. В ИЯФ ему поставили его первую научно-техническую задачу. Студент должен был разработать систему оповещения, которая бы подавала сигнал о том, что на установке начинается эксперимент, и разработанное им устройство до сих пор исправно выполняет свои функции.

Сегодня Сергей Мурахтин — старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук, а также один из основных авторов и создателей экспериментальной установки, которая называется КОТ (компактный осесимметричный тороид). Но этот «кот» не мурлычет, а удерживает плазму, и, возможно, скоро удивит весь мир своими успехами в области управляемого термоядерного синтеза.

Сергей Мурахтин Сергей Мурахтин

О серьезном и важном: наука

В ИЯФ СО РАН существует четыре научных направления: физика высоких энергий и элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженных частиц, синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах, физика плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Научная деятельность Сергея Мурахтина связана как раз с физикой плазмы.

«Зачем мы развиваем направление физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза? Дело в том, что, по различным оценкам, запасов природных источников углеводородов (нефти, каменного угля, природного газа) хватит на ближайшие 150 лет. Конечно, полностью эти полезные ископаемые не исчезнут, но в связи с дефицитом цена на них будет сильно расти. Поэтому человечество уже сейчас постепенно переходит на другие источники энергии. Сегодня мы живем в эру атомной энергетики, а за ней придет термоядерная. В ее основе лежат реакции синтеза легких изотопов водорода — дейтерия и трития. Дейтерия очень много в морской воде — получается почти неисчерпаемый источник дешевой энергии. Однако, чтобы реакция управляемого термоядерного синтеза пошла, нужно достичь необходимых параметров, а это очень сложная научная и технологическая задача, над которой не одно десятилетие работают физики всего мира, в том числе и мы в ИЯФ», — объясняет Сергей Мурахтин. 

В Институте ядерной физики генеральным направлением исследований в области физики плазмы являются проблемы нагрева и удержания плазмы с термоядерными параметрами. Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества, ионизированный газ, нагретый до очень высокой температуры (порядка ста миллионов градусов), необходимой для протекания термоядерных реакций. Примером природного термоядерного котла служит Солнце. Внутри этой звезды непрерывно происходят ядерные реакции по превращению водорода в гелий, в результате чего выделяется колоссальная энергия. В Солнце удержание вещества происходит за счет гравитации, однако реализовать в лаборатории такой сценарий — невыполнимая задача. В земных условиях удерживать плазму в течении времени, необходимого для протекания термоядерных реакций, можно с помощью магнитного поля на специальных установках.

«Мы должны этот термоядерный костер не только зажечь, но и научиться им управлять. Если это получится, сможем запускать на этой бесплатной энергии автомобили, самолеты, и, скорее всего, даже подключить освещение в очень неудобных местах, например, за полярным кругом, и выращивать там пшеницу», — делится Сергей Мурахтин.

На установке КОТ (компактный осесимметричный тороид) ИЯФ СО РАН На установке КОТ (компактный осесимметричный тороид) ИЯФ СО РАН

Сложности управляемого термоядерного синтеза 

Удержать плазму при помощи магнитного поля — нетривиальная задача. Дело в том, что этот ионизированный газ боится магнитного поля и «убегает» от него. Когда в мировом физическом сообществе прозвучала идея о магнитном удержании, то все свои усилия ученые направили на создание таких магнитных конфигураций и таких датчиков, которые бы позволяли удерживать плазму, отслеживать ее перемещения и умели бы «возвращать» на место. Оценить, насколько сложны задачи управляемого термоядерного синтеза, можно хотя бы по тому факту, что ученые всего мира бьются над их решением с XX века и до сих пор не построили ни одного промышленного термоядерного реактора. 

«Впрочем, говорить, что человечество совсем не продвинулось в этом направлении, нельзя. Сегодня научная коллаборация, в которую входит большинство стран мира, в том числе и Россия, реализует проект первого в мире международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). Задача заключается в том, чтобы показать возможность безопасного и экономически выгодного использования термоядерной энергии в промышленных масштабах. ИТЭР — это токамак (тороидальная магнитная камера) — замкнутая магнитная ловушка. Но есть и другие, например, открытые. Над разработкой, созданием и последующими экспериментами с ними и работают в ИЯФ», — рассказывает Сергей Мурахтин.

На сегодняшний день можно выделить два основных типа установок для магнитного удержания плазмы — замкнутые и открытые. К первому типу относятся токамаки и стеллараторы — устройства в форме тора, напоминающие бублик, в которых линии магнитного поля замкнуты сами на себя. Циркулируя вдоль силовых линий, плазма хорошо удерживается, ее потери минимальны. Однако у этих машин есть недостатки — относительно дорогая магнитная система и сложно организованная топология магнитных поверхностей. Чтобы создать в «бублике» магнитное поле с необходимыми параметрами, требуется большое количество «хитрых» токовых обмоток, привлечение нестандартных инженерных и физических решений. Второй тип — открытые магнитные ловушки. 

«Такие установки похожи на бутылку от шампанского с двумя горлышками, направленными в разные стороны. Плазма свободно вытекает вдоль силовых линий, как воздух из воздушного шарика, за это время успевают пройти термоядерные реакции и выделяется энергия. Достоинством такой системы является ее предельная инженерная простота и, как следствие, низкая стоимость. Недостатки таких систем — “горлышки бутылки”, через которые вытекает вещество и энергия. Это проблема, которая требует решения», — поясняет Сергей Мурахтин.

Сердце КОТа — инжектор нейтральных атомов Сердце КОТа — инжектор нейтральных атомов

КОТ в ИЯФ 

По тематике физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза в ИЯФ СО РАН проводятся исследования на экспериментальных установках с магнитными системами удержания открытого типа. Всего их четыре: ГДЛ (газодинамическая ловушка), ГОЛ-NB (ГОЛ-Neutral Beams), СМОЛА (спиральная магнитная открытая ловушка) и КОТ (компактный осесимметричный тороид). Задача экспериментов с открытыми ловушками — научиться удерживать плазму в магнитном поле как можно дольше, то есть снизить истечение вещества и энергии из «горлышек бутылки». Сергей Мурахтин является одним из идейных вдохновителей и разработчиком установки КОТ. На нее мы и отправились с Сергеем. Этот КОТ не мурлычет, а удерживает плазму.

«В установке КОТ мы стремились создать такую магнитную конфигурацию, которая сочетала бы в себе достоинства удержания плазмы в токамаке с замкнутыми силовыми линиями и простоту магнитной конфигурации открытой ловушки. Именно так появилась на свет наша необычная машина. КОТ представляет собой аксиально-симметричный пробкотрон с мощной атомарной инжекцией. На нем мы будем изучать, насколько устойчивой окажется созданная конфигурация, и насколько мы сможем подавить продольные потери. Второй важный момент касается эффективности использования магнитного поля, в котором живет плазмоид. Эта эффективность характеризуется отношением давления плазмы к давлению магнитного поля и обозначается коэффициентом β. К примеру, в токамаке этот коэффициент не превышает нескольких процентов β ≈ 0,05. Больше не получается, потому что возникают неустойчивости, которые “раскидывают” плазму. Такова особенность токамаков. В классических открытых ловушках, таких как ГДЛ β ≈ 0,5, и это большое достижение! В установке КОТ планируется достичь β ≈ 1, то есть мы сможем перейти в режим, в котором давление плазмы сравняется с давлением внешнего магнитного поля: значит, мы сможем говорить о максимально возможной эффективности использования ведущего магнитного поля. Эти два ключевых момента позволяют надеяться, что скоро мы будем наблюдать здесь сложную и интересную физику», — рассказывает Сергей Мурахтин.

«В науке нравится всё»

Посмотрели, удивились, идем дальше по лестницам ИЯФ.

— Сергей Викторович, что Вам нравится в науке?

— В науке нравится всё: научные подходы, возможность создавать что-то новое, общение с коллегами, обсуждение с ними интересных научных задач, их решение. Я с детства не любил учиться, не хотел никуда поступать после школы, а потом сходил в армию и понял, что нужно получать образование. На тот момент моя старшая сестра, генетик по образованию, уже работала в новосибирском Академгородке. Так и я оказался здесь. 

— Что, по Вашему мнению, отличает ученого от обычного человека?

— Любознательность и нестандартное мышление. Вот как вы думаете, что общего между куриным яйцом и стаканом, или между карандашом и ботинком? Вот это и есть нестандартные вопросы. Но любой ученый на них скажет, что и карандашом, и ботинком можно что-нибудь нарисовать: ботинком на снегу, карандашом на бумаге, а яйцо и стакан можно разбить. Исследователи часто отмечают, что нестандартный взгляд на действительность позволяет им высказывать гипотезы, которые потом подтверждаются экспериментально или в расчетах. В этом особом ракурсе, с которого ученый смотрит на природу, наверное, и есть его отличие от обычного человека. 

Материал подготовлен студентками Отделения журналистики Гуманитарного института Новосибирского государственного университета Екатериной Гусельниковой, Александрой Кузнецовой, Ириной Нетужиловой в рамках спецпроекта «Мастерская "Науки в Сибири"».

Фото авторов и предоставлены Сергеем Мурахтиным