Ю.В. Митришкин: «Это надо делать быстро!»

Интервью с д.т.н., главным научным сотрудником лаборатории № 30 ИПУ РАН, профессором Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Ю.В. Митришкиным.

 

Уже более полувека получение энергии непосредственно из атомов остается самым современным способом ее производства. Сейчас это происходит посредством разделения урана, и этой технологией люди научились хорошо управлять. Но такой способ – не единственно возможный.

На другом конце таблицы Менделеева имеются элементы, которые можно не расщеплять, как уран, а соединять. Два ядра, разогретых до высоких температур, сливаются в одно. При соединении ядер двух элементов (например, изотопов водорода дейтерия и трития) возникает третий (гелий), что сопровождается выделением энергии, которую несет на себе разогнанный нейтрон. Если взять плазму, т.е. ионизированный газ из этих изотопов, ее разогреть до высокой температуры, повысить в ней давление и время удержания, то при превышении определенной константы произведения данных величин (критерий Лоусона) в плазме возникнет самоподдерживающаяся термоядерная реакция.

Но как удержать плазму и довести ее параметры до необходимых термоядерных значений? Это возможно в магнитном поле.

Одно из физических устройств для удержания плазмы в магнитном поле соответствующей конфигурации называется «токамак» – тороидальная камера с магнитными катушками.

О том, каким путем шли и идут научные исследования, связанные с токамаками, о возможности альтернативы атомным электростанциям, а также о том, как управлять плазмой с термоядерной реакцией с помощью математических моделей и систем автоматического управления, и насколько важную роль в этом может сыграть международное научное сотрудничество, мы поговорили с Юрием Владимировичем Митришкиным, доктором технических наук., главным научным сотрудником ИПУ РАН, профессором Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

 

 

- Юрий Владимирович, давайте начнем с основных понятий. Объясните пожалуйста, суть процесса!

Термоядерная реакция – это слияние ядер легких элементов с выделением энергии. Самое близкое по порогу получение термоядерной реакции – это смесь дейтерия с тритием. Это газ, поступающий через клапаны в тороидальную вакуумную камеру. В камере образуется меняющееся магнитное поле за счет изменения токов в окружающих камеру катушках, оно создает вихревое электрическое поле, которое пробивает газ, образуется плазма и ток в ней, при этом плазма начинает греться за счет прохождения в ней тока.

Токамак – это и есть та самая тороидальная камера с магнитными катушками, в которой все происходит.

- Развитию каких новых технологии могут способствовать токамаки?

Много таких технологий. Проблема термоядерного синтеза разрабатывается давно, шесть десятков лет, и флагманом в этой области сейчас служит сооружаемый во Франции ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – Международный термоядерный экспериментальный токамак-реактор. Для него развиваются технологии. Этих технологий много, и много связанных с ними сложностей: например, проблемы материалов первой стенки, роботов, которые могут заменять бланкет через определенное время, проблемы магнитного и кинетического автоматического управления плазмой, их интегрирования и много разных других.

Но надо понимать, что термоядерный реактор ITER – это не термоядерная электростанция. Вся термоядерная энергия, которая получается внутри него, будет рассеиваться в окружающем пространстве. Однако термоядерная реакция в ITER будет происходить в любом случае, и будет происходить усиление мощности – то есть, на один вложенный ватт за счет термоядерной реакции будет получено 10 ватт.

Зачем нужен термояд? Прежде всего для мировой промышленности. Дело в том, что уже в ближайшее время, где-то к 2050-му г., на Земле возникнет ощутимый дефицит энергии. Потому что чем выше уровень цивилизации, тем больше энергии она требует. И, несмотря на то, что пока еще сохраняются ресурсы нефти, угля, газа, дефицит энергии никак не покроешь за их счет. Единственный выход – это термоядерная энергетика. Вот над этим и работают исследователи, особенно в Европе, и лидеры там – немцы. Это уникальная нация, и они это сделают – создадут термоядерную энергетику. А мы, если всерьез не возьмемся за разработки в этой области, окажемся на задворках истории в решении столь серьезной проблемы.

- Каковы современные тенденции в постройке термоядерных электростанций?

Известны две дорожные карты. Одна – с очень дорогими термоядерными электростанциями, огромными по размеру, до 9 метров большого радиуса тора токамака-реактора. Вторая – с дешевыми, всего 6 американских центов за 1 квт-час электроэнергии, и 1,6-2,0 метров большого радиуса, и это можно сделать на сферических токамаках, на одном из которых мы и работаем, разрабатывая для него системы управления плазмой.

- То есть, речь идет исключительно о сферических токамаках. Но можно говорить об их разнообразии?

Да, существуют различные сферические токамаки. Например, в США, в Принстоне, есть National Spherical Torus Experiment (NSTX-U), в Англии – Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST), ГЛОБУС-М2 в Петербурге, все они совершенно разные: имеют разные размеры и разные электромагнитные системы. Они сферические в том плане, что у них аспектное отношение, т.е. отношение большого радиуса токамака к малому, составляет, примерно, 1,5, а все другие, конвенциальные, имеют аспектное отношение, приблизительно, 3-4 и выше, и это, в отличие от сферических, не может дать дешевую электроэнергию. Можно строить небольшие установки модульного типа, а потом их наращивать, допустим, вместо одного модуля сделать 10. Модуль – это небольшая часть всей термоядерной установки, это одна независимая небольшая термоядерная электростанция. Это приведет к снижению цены за электроэнергию по современным представлениям.

- А какие-нибудь из существующих ныне установок производят термоядерную энергию?

Нет. Когда стали создаваться термоядерные установки, возникла большая наука – это физика высокотемпературной плазмы. Большая, серьезная наука, не все могут ее понимать и осваивать. Тем более, что теория не всегда совпадает с экспериментом, и адекватное понимание эксперимента очень часто основывается на так называемых скейлингах, т.е. экспериментальных формулах.

В мире сейчас около 40 действующих установок типа токамак, три работающие установки находятся в России. Они никакой термоядерной энергии не производят, они экспериментальные, на них исследуют плазму, материалы, системы управления плазмой и т.п. На некоторых установках делали эксперименты с тритием. На них было показано, что термоядерная реакция в принципе возможна, но коэффициент усиления был не больше единицы. Тем не менее, она возможна, потому что возникают нейтроны именно термоядерного происхождения, которые улавливались внешней оболочкой. Здесь сомнений нет.

Вопрос только технологический – можно ли построить термоядерную электростанцию, так, чтобы она действительно давала термоядерную электроэнергию, и чтобы там реально функционировали все системы, которые туда входят.

- Тем не менее эту технологию вполне можно рассматривать как альтернативу атомным электростанциям?

Конечно. Это сильная альтернатива. У атомных станций два серьезных недостатка. Первое: они производят отходы, у которых период полураспада сотни и тысячи лет, их нужно где-то хранить, и их много, они накапливаются. Второй недостаток – они могут взрываться. Взрывы были сначала в Чернобыле, и затем на Фукусиме.

В токамаках принципиально невозможен взрыв. Почему? Очень просто. Когда работает токамак, в его камеру постоянно поступает газообразное топливо, например, смесь трития и дейтерия. Имеются специальные быстродействующие клапаны, через которые поступает топливо. Если на термоядерной электростанции образуется внештатная, аварийная ситуация, то мгновенно закрываются клапаны, топливо прекращает поступать, той энергии, которая накоплена, для взрыва недостаточно, она может только сломать установку, прожечь камеру.

- Получается, это совершенно безопасная технология?

Токамаки, конечно, нельзя считать полностью безопасными. Опасность заключается в том, что, когда сливаются ядра легких элементов, в частности, дейтерия и трития, образуется ядро гелия и быстрый нейтрон. Нейтроны поглощаются внешней оболочкой. Какая бы оболочка ни была, она становится радиоактивной. Эту радиоактивную оболочку через 20-30 лет надо менять. Но период полураспада там лет 15-20. Роботы убирают эту оболочку, заменяют на другую, радиоактивную где-то кладут – не хоронят, а кладут, и через 20 лет ее можно использовать снова. Все! Период полураспада прошел, она становится нерадиоактивной. Снова можно использовать в установке. Это другие элементы.

- То, чем вы сейчас непосредственно занимаетесь – это математической моделирование процессов управления?

Да! В мире, как уже было сказано, много работающих токамаков, и на каждом стоит своя система управления плазмой, свои алгоритмы управления, каждая команда разрабатывает свои системы. Так происходит потому, что систему управления плазмой нельзя перенести один к одному с одного токамака на другой, из-за того, что токамаки все разные, имеют разные электромагнитные системы.

Мы предложили свою классификацию, основанную на анализе литературы. Мы делаем серьезный аналитический обзор систем управления плазмой в токамаках, уже вышло две его части и выйдет еще две в журнале «Проблемы управления» с дальнейшим переводом на английский язык в журнале “Advances in Systems Science and Applications”.

Изначально аббревиатура «токамак» пришла из Курчатовского института (тогда он назывался Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова), где токамаки и были изобретены, и где в 1954 г. был построен первый из них. За рубежом тогда уже были установки типа стеллараторы, отличающиеся от токамаков отсутствием в них тороидального тока. На данный момент многие стеллараторы переделаны в токамаки, тем не менее, в некоторых странах они сохраняются, и с их помощью также продолжаются попытки приблизить плазму к термоядерной.

Вообще токамаков за всю историю существования, с 1954 г., по всему миру было создано 200 с лишним экземпляров, это довольно много. Три токамака работают в России: один, Т-11М, в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, но старого образца, с круглым вертикальным поперечным сечением; один в Курчатовском институте – Токамак Т-10 – его давно хотели демонтировать, но никак не могут решиться, потому что больше в этом институте пока что вообще ничего нет. Но он морально и физически устарел, ему 40 с лишним лет. В Курчатовском институте сооружается современный токамак с вытянутым по вертикали поперечным сечением Т-15, но окончательные сроки вывода данной установки на проектные режимы не определены. И один действующий современный токамак, уже упоминавшийся ГЛОБУС-М2, есть в Санкт-Петербурге, в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе. Это токамак сферического типа, небольшая машина по сравнению с зарубежными, например, NSTX в Соединенных Штатах или MAST в Англии. Но параметры плазмы на этой установке относительно высокие, они составляют конкуренцию зарубежным установкам аналогичного типа.

И вот с этим токамаком мы и пытаемся работать, для него разрабатываем и исследуем системы управления плазмой с обратной связью. Пока что только моделируем. Нами подана заявка от ИПУ РАН в Министерство образования и науки, чтобы эту работу поддержало Министерство, потому что требуются средства на закупку современной управляющей аппаратуры реального времени, на зарплату, на командировки. У нас есть два гранта, РНФ и РФФИ, но их не хватит на все необходимые для работы нужды, к тому же эти фонды не поддерживают закупку оборудования реального времени.

Я был на многих установках, и в Америке, и в Европе, в Японии, я вообще работал три года в Объдиненной Центральной Команде ITER в Японии, полтора года в Токийском университете над проблемой управления плазмой в ITER, затем продолжал заниматься этой проблемой, вернувшись в Россию. Я знаком изнутри с этой проблемой, знаю, какие там сложности касательно управления, и не только управления. Чем мы занимаемся? Имея действующий сферический токамак в Санкт Петербурге ГЛОБУС-М, мы с этой установки получили базу экспериментальных данных. По этой базе данных для некоторых разрядов мы восстановили равновесие плазмы и построили динамические модели плазмы с переменными параметрами, для этих моделей разработали современные нестационарные системы магнитного управления плазмой.

Модели, которые мы создаем, это не просто модели в теории, они основаны на экспериментальных данных, и при этом используются первые физические принципы (first principles equations), это физика. Этим занимаются в основном два молодых человека из моей команды – Павел Коренев и Артем Прохоров, выпускники Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и в настоящее время аспиранты этого факультета и научные сотрудники ИПУ РАН.

Модели построены, по ним разрабатываются оригинальные системы управления плазмой, и моделируются уже системы управления, направленные на определенную установку: в данном случае, это сферический токамак ГЛОБУС-М2 в Санкт-Петербурге. При этом план у нас такой: если нам сейчас удастся добыть средства на современное оборудование, привлекаем соответствующую аппаратуру, которая работает в реальном времени, наши модели и системы управления плазмой внедряем в нее, все осваиваем в реальном времени, а потом переносим в Петербург и применяем в экспериментах на установке ГЛОБУС-М2.

Если все задуманное получится, это будет рывок по сравнению со всем миром. В этой области мы можем иметь сильные приоритеты, если указанная работа будет поддержана и адекватно воспринята руководством. Я об этом много говорил, недавно сделал пленарный доклад на XIV Международной научной конференции «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления» (конференция Пятницкого), 30 мая 2018 г. в ИПУ РАН.

Мы связывались со швейцарской фирмой, которая выпускает уникальные – в России таких нет – промышленные компьютеры реального времени, на которых мы в первом приближении уже испытали некоторые системы управления плазмой для токамака ГЛОБУС-М.

- Вы упоминаете своих коллег. Расскажите о своей команде.

Мне сейчас удалось создать достаточно сильный молодой коллектив. Ко мне пришли мои бывшие студенты из МГТУ и с физического факультета МГУ, где я читаю лекции. Один выпускник МГТУ, Николай Карцев, защитил кандидатскую диссертацию в ИПУ РАН и занял должность старшего научного сотрудника.

У нашей команды уже есть публикации высокого уровня и создан важный задел при поддержке двух упомянутых выше грантов. Жизненно необходимо создать соответствующие условия, чтобы молодые специалисты могли получать приличные деньги и не сбежали отсюда. Молодую команду нужно мотивировать. Институт сейчас разработал некую систему, она конкурентная, и в зависимости от полученных результатов финансирование каждой научной группы может возрастать настолько, что молодых людей могут устроить эти деньги, чтобы они не ушли из науки в бизнес.

Моих ребят немного, всего шесть человек – но этого вполне достаточно, чтобы делать серьезную работу. Ну и необходимую нам аппаратуру директор Института нам обещал в крайнем случае, если Минобрнауки не поддержит поданную заявку.

Но, повторяю, нужны средства, на одном энтузиазме серьезную проблему управляемого термоядерного синтеза решить невозможно. Это не все понимают. Гранты РНФ и РФФИ позволяют, в частности, поехать в краткосрочные командировки и в денежном выражении поддержать решение задач разработки и моделирования систем управления плазмой молодым коллективом, но при этом, как уже было сказано, требуются деньги на приобретение, освоение, внедрение и эксплуатацию необходимой аппаратуры в практике физического эксперимента.

Мы сотрудничаем с физическим факультетом МГУ и ФТИ им. Иоффе, сейчас у меня идут переговоры с Новосибирским техническим университетом. Все это наши коллеги по созданию систем управления на сферических токамаках. Но помимо этого необходимо сотрудничество с иностранными компаниями, прежде всего с европейскими. Европа может построить термоядерные электростанции гораздо быстрее нас, потому что у них развиты соответствующие современные технологии. И в первую очередь Германия, потому что она отказалась от атомных электростанций. А мы можем разрабатывать то, в чём мы в определенном смысле имеем опыт работы – так называемую полоидальную систему токамака, т.е. систему магнитных катушек, для эффективного управления плазмой. Это станет первым шагом, и второй шаг: когда мы поймем, как нужно делать такую полоидальную систему, которая имеет неоднозначное решение, с достаточно большой областью управляемости плазмой, мы разработаем систему магнитного управления плазмой уже для этого проекта, для проекта термоядерной электростанции. Эта система должна будет гарантированно обеспечить работоспособность термоядерного реактора-токамака в круглосуточном режиме работы.

В июле этого (2018) года мы участвовали в Европейской конференции по физике плазмы в Чехии, в Праге со своим докладом, попутно ведя переговоры с возможными будущими партнерами, с которыми, может быть, удастся работать в отмеченных направлениях.

Задача усложняется тем, что питерская установка маленькая, имеет всего 36 см большой радиус, поэтому все процессы в ней быстродействующие. Для этих процессов мы разработали новую методику, создали модели плазмы, построенные на экспериментальных данных. И вот к этим моделям, которые мы построили на экспериментальных данных, мы сделали системы управления плазмой на различных принципах. Системы весьма сложны, они многоканальные, многокаскадные, иерархические с нашими оригинальными разработками, то есть, мы разработали их как системы с переменными параметрами, а это довольно непросто, тем более, учитывая высокое быстродействие систем.

Затем полученный опыт работы можно перенести на проект термоядерной электростанции модульного типа. Она может получиться относительно дешевой и небольшой – всего полтора-два метра большого радиуса. И даст возможность получать дешевую электроэнергию. В сферических токамаках образуется заметный ток не только от трансформаторного эффекта, а возникающий сам по себе ток за счет градиента давления. Если импульсом запустить такой токамак, дальше он может работает круглосуточно. Есть специальные программы, которые считают стоимость электрической энергии. Стоимость энергии, вырабатываемой по описанному принципу очень низка, всего 6 центов за 1 квт-час, это примерно 4 рубля, так это можно брать и делать! И делать быстро.

Я собираюсь налаживать связи в Европе, у меня в этом есть небольшой опыт.  Со мной специально беседовали офицеры еврокомиссии. Я выступал у них на семинаре, где все европейские команды отчитывались по своим грантам, один раз они меня приглашали как рецензента европейских грантов.

Нашей команде сейчас требуется в минимальном объеме всего 10 млн руб. разового вложения на аппаратуру. Нам вообще ничего не нужно, кроме аппаратуры реального времени, и еще некоторый объем средств на зарплату и командировки, чтобы молодые люди не уходили в коммерческие компании. И мы тогда можем идти по намеченному пути.

В заключение можно отметить тот факт, что первая атомная электростанция была введена в эксплуатацию в городе Обнинск в 1954 году, а пуск первого токамака произведен также в 1954 году в ИАЭ им. И.В. Курчатова. Но это была экспериментальная установка и все последующие, включая ITER, – также экспериментальные установки типа токамак. В современных западных публикациях делаются оценки, что первая термоядерная электростанция на конвенциальном токамаке-реакторе может быть построена не раньше 2075 года, а на сферических токамаках модульного типа, примерно, ‒ в 2030 году.

Беседу вела Ирина Татевосян