Цивилизация
Запуск года
2021 год, объявленный Годом науки и технологий в России, ознаменовался запуском термоядерной установки токамак Т15-МД — это тороидальная камера с магнитной катушкой.
Термин «токамак» появился еще в 50-х годах прошлого века, когда советские ученые придумали установку в форме бублика, в центре которого магнитное поле удерживает разогретую до огромных температур плазму. С тех пор российские специалисты по-прежнему лучшие в работе с токамаками, и построенная в 2021 году установка не имеет аналогов в мире, благодаря сочетанию высокой мощности и компактных размеров.
Токамак Т-15 МД полностью спроектировали и построили в России за 10 лет. Это модифицированная версия реактора Т-15, который работал в Курчатовском институте с конца 1980-х. От своего предшественника он отличается Д-образностью — Т-15 имел круглое сечение плазмы и был сверхпроводящим. Д-образное сечение плазмы, в свою очередь, позволяет получать режим улучшенного удержания, так называемую Н-моду. H-мода — это такой режим существования плазмы, когда теплопотери из нее резко снижаются, а температура в центре нарастает. H-мода является необходимой для получения высоких энерговыходов от термоядерного горения в токамаках. Получать такие режимы в плазме круглого сечения тоже реально, однако в Д-образной плазме можно достичь гораздо более серьезных результатов. Токамак Т-15 МД входит в структуру международного термоядерного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Это первая построенная в России за последние 20 лет новая термоядерная установка.
«Для нашей страны — это первый Д-образный Токамак средних размеров. Есть в Питере «Глобус-М2», но он по линейным размерам в 3-4 раза меньше Т-15МД, и может поместиться в достаточно просторной комнате обычной квартиры. Для Т-15ДМ уже необходимо помещение размером с цех, на кухню он не поместится. И масштаб в данном случае очень важен, чтобы были высокие плазменные параметры», — рассказали в пресс-службе научно-исследовательского центра «Курчатовский институт».
Новый токамак размером всего с небольшой дачный домик, но задачи перед ним стоят космического масштаба: он должен запускать термоядерные реакции, которые происходят в недрах звезд. Это возможно, благодаря температуре в токамаке, которая может достигать 100 миллионов градусов цельсия — это в 8 раз больше, чем в центре Солнца. Токамак Т-15 МД будет использоваться для решения исследовательских задач. Освоение технологии управляемого термоядерного синтеза (УТС) позволит получить фактически неиссякаемый и экологически безопасный источник энергии. Такой реактор, благодаря способности работать на безопасном и доступном топливе – дейтерии и тритии — должен помочь заменить атомные электростанции. Так, термоядерный синтез может обеспечить человечество чистой энергией на многие годы вперед, поэтому запуск такой установки — большой шаг на этом пути.
Плазма и другие задачи токамака
На токамаке Т-15МД планируется изучать ряд характеристик плазмы и особенности «поведения» различных элементов в этом агрегатном состоянии. Среди них - турбулентнось и транспортные процессы, а также зональные течения – критически важные параметры для удержания плазмы в контролируемом состоянии. Для этого же планируется проводить исследования роли электрического поля и вращения в удержании и переходе плазмы в различные моды. Особенно важным для ученых представляется изучение перехода плазмы в так называемую L-моду. Для L-моды характерна негативная зависимость времени жизни плазмы от мощности нагрева, а также деградация удержания плазмы (снижение времени жизни) и внутренние изменения турбулентных потоков в плазме. Простым языком, при переходе в L-моду плазменный бублик внутри токамака имеет риск разрушиться при нагреве, и запуск придется начинать заново. Будут исследоваться и материалы первой стенки и дивертора, которые должны будут выдерживать колоссальный нагрев. Среди перспективных элементов обозначены бор, бериллий, литий, вольфрам. И это далеко не полный список того, что предстоит узнать ученым.
«Термоядерный синтез – очень сложная и очень дорогая технология. И мы здесь занимаем в мире лидирующие позиции. Исследования в этой области ведут нас к новой энергетике, к созданию плазменных технологий, новых материалов... Курчатовский институт всегда отличался тем, что мы работали от идеи, которую предлагали и формулировали, – и до конечного результата, до внедрения в практику. Так было с атомным проектом, то же происходит и с термоядерным синтезом», — подчеркнул президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук на торжественном запуске реактора.
Изучать плазму ученым критически важно. В первую очередь, ученые должны выяснить природу удержания энергии и частиц в плазме замкнутых магнитных ловушек и, как следствие, потоков тепла и частиц из плазмы на стенку вакуумной камеры. В будущем это позволит строить более масштабные термоядерные проекты и позволит человечеству решить вопрос возрастающей потребности в электроэнергии, нарастающий с каждым годом.
Из этого вытекают серьезные вопросы – какова роль различных параметров в удержании плазмы, как на удержание и на потоки влияет турбулентность, электрическое поле или профиль температуры плазмы. Ученые уже достаточно много знают об этом, но им всё же еще предстоит многое изучить. Помимо чисто физических задач, которые представляют собой исследования потоков, турбулентности, и роли электрического поля в удержании, существуют ещё и технологические исследования. Они включают в себя взаимодействие плазма-стенка, изучение материалов первой стенки вакуумной камеры, поддержание тока плазмы неиндуктивными методами, а также предотвращение срывов плазмы. Ответы на многие эти вопросы ученые смогут получить, когда Токамак Т 15-МД выйдет на свои полномасштабные возможности эксплуатации. Модернизацию реактора планируется завершить к 2024 году.