Очень важной частью установки будут электронные пучки. Кроме дополнительного нагрева плазмы, они должны будут поддерживать её электрический потенциал и генерировать звук в многопробочных участках. Их будет две штуки. По одному импульсно-периодическому инжектору в каждом расширительном баке, мощностью 5 МВт и энергией 50 кэВ.
Расчётная плотность плазмы составит 1-5*1014 в кубическом сантиметре. Это примерно в сто тысяч раз меньше, чем плотность молекул в атмосферном воздухе. Однако для горячей плазмы это большая плотность. Достаточно сказать, что её давление будет сравнимо с атмосферным.
Расчётная температура электронов — 1-2 кэВ. На ГОЛ-3 такая температура электронов получена, но она достигается за счёт очень мощного электронного пучка. В ГДМЛ мы хотим достичь примерно такой же температуры за счёт более качественного удержания плазмы. Большая температура электронов позволяет дольше удерживать в ловушке быстрые ионы, соответственно возрастает расчётный выход мощности термоядерных реакций. Если считать, что плазма состоит из дейтерия и трития, и отнести термоядерную мощность к затратам мощности на нагрев плазмы, то получится параметр QDT. Он характеризует эффективность удержания плазмы в ловушке. Сейчас на наших установках QDT
Чтобы реализовать эти параметры, нужно уже сейчас начинать поддерживающие эксперименты на тех двух установках, которые у нас есть. Мы так и делаем. Например, проводим эксперименты по течению плазмы через один или несколько пробкотронов. Сейчас, как вы могли видеть, к ГДЛ присоединена маленькая ловушечка, она выполняет функцию одной гофры гофрированной системы. Мы проверяли, работает ли при плотности плазмы ГДЛ принцип гудения трубы. Предварительные результаты говорят, что работает — значит, и на ГДМЛ, скорее всего, заработает. Идут эксперименты по разработке электронных пучков для ГДМЛ.
- Будут ли у ГДМЛ приложения?
- Да, будут, и очень полезные. В первую очередь ГДМЛ — это эксперимент для испытания новых принципов устройства термоядерного реактора. Однако есть цели и поближе.
Первое приложение — это мощный нейтронный источник для материаловедения. Его энергетическая эффективность может быть скромной, QDT=1-10%. Эти параметры должны быть достигнуты уже в ГДМЛ, при длине ловушки тридцать метров.
Следующее приложение требует QDT больше 15 процентов и называется драйвером подкритичного ядерного реактора. Большинство реакторов работают на медленных нейтронах, которые специально замедляются, чтобы вызвать реакцию в уране-235. Основная часть урана при этом остаётся бесполезной. Для того чтобы она стала источником энергии, используются реакторы на быстрых протонах, и как раз за этой системой будущее ядерной энергетики. Потому что того урана, который делится сейчас, осталось немного. Но зато есть большие запасы обеднённого урана. И его можно использовать как топливо, но для этого необходим поджиг. «Поджигать» его можно, в частности, термоядерным источником нейтронов. Такие же параметры термоядерной установки требуются для создания реактора-дожигателя ядерных отходов. Но, конечно, это ядерная энергетика, и если использовать термоядерный реактор в таком качестве, он должен быть обложен радиоактивным веществом. А следовательно, встаёт вопрос безопасности. В связи с ситуацией на «Фукусиме» это приложение может отпасть вообще.
Следующий этап — гибридный реактор. Термоядерный реактор можно обложить «одеялом», заполненным урановыми топливными сборками, и получится гибридный реактор. Его преимущество в том, что он глубоко подкритичен. Это значит, что если плазменная установка остановится, то без дополнительной аварийной защиты выключится и сам реактор. Плазму очень сложно зажечь, но зато «выключить» легче лёгкого.
Чтобы построить чисто термоядерный реактор (без урана), QDT должно превышать значение 10. В рамках конструкции ГДМЛ длина ловушки будет порядка трёхсот метров.
И наконец, на основе ГДМЛ можно построить дейтериевый реактор, в котором не будет использоваться тритий. С этой точки зрения реактор будет гораздо более «чистым» и безопасным. Такая двухкилометровая «труба» по расчётам всё равно должна стоить меньше, чем установка системы ITER. Но до этого приложения нам ещм очень далеко.
Возможные приложения ГДМЛ
- Как скоро можно будет начать строительство и эксперименты?
- Если будет финансирование, то через четыре года после начала строительства установки, а если «на подножном корму», то через шесть лет. Но в этом случае придётся строить ловушку из металлолома, и в итоге получится несколько другая установка.
- А как обстоят дела с финансированием?
- Нам удалось вписаться в программу «Росатома» по финансированию термоядерных исследований, но в том, что деньги до нас в итоге дойдут, уверенности нет (так как бюджет распределяется между теми, кто ближе к Москве). В основном финансово поддерживаются проекты на основе токамаков, а мы считаемся альтернативным направлением. Вот, например, Курчатовскому институту «Росатом» обещает помочь в обновлении токамака Т-15. Но даже если им и дадут эти деньги, у меня есть сомнения в том, что они доведут дело до конца, так как работать у них некому — совсем не осталось молодёжи.
- Настолько остро стоит проблема?
- На мой взгляд, да. В Москве культ золотого тельца, поэтому привлечь студента к науке практически невозможно. В этом плане нас спасает то, что мы далеко от столицы. Молодёжь в науке — это очень сложный вопрос. Вот, например, Россия выделяет немалые средства на проект ITER, и туда нужно посылать людей, чтобы они учились и привозили обратно ноу-хау. И кого посылать? Некого.
- Как именно, кстати, Россия участвует в проекте ITER?
- Наш вклад оценивается в 10 процентов. Но это не денежные вложения, а просто мы строим здесь за свой счёт части токамака и отправляем туда. Правда, большую часть строительства пролоббировали люди, которые производят сверхпроводники, а это значит, что мы не столько вкладываемся интеллектуально, сколько поставляем большие железяки.
- Если всё сложится удачно и новая ловушка будет построена, как Вы оцениваете её перспективы? Изменит ли она что-то в области УТС?
- Во-первых, можно будет построить аналогичную ловушку в атомном городке, запустить туда тритий и проводить исследования материалов. Но главное — на основе того, что получится, мы можем начать проектирование термоядерного реактора и дожигателя термоядерных отходов.
Стоимость строительства термоядерного реактора на разных типах установок в зависимости от их размера
По рисунку, который я сделал, видно, почему дальнейшее развитие токамаков проблематично и почему в качестве термоядерного реактора открытые ловушки являются перспективной системой. Горизонтальная ось — это стоимость строительства установки, вертикальная — QDT — отношение термоядерной энергии к энергии разогрева плазмы. Величина QDT зависит от качества удержания плазмы, то есть времени жизни частиц в ловушке. Когда QDT = 1, это означает, что выделяется столько же термоядерного тепла, сколько было затрачено на нагрев плазмы. Большие токамаки сейчас примерно единице и соответствуют.
Видно, что у токамаков есть степенная зависимость качества удержания от размера, а значит, и от стоимости. Это приводит к тому, что все токамаки попадают на прямую с низким наклоном; то есть попросту, чтобы сделать эффективную установку, нужно потратить крупную сумму. Если мы хотим достичь энергетической эффективности на основе токамака, это будет стоить 16 млрд. евро. Это много. А для открытых ловушек зависимость стоимости от качества удержания другая. Если использовать с обеих сторон по одной пробке, то такая зависимость будет немного круче, чем для токамаков. А если использовать многопробочное удержание, то линия будет совсем крутая.
Какой вывод можно сделать из графика? Маленькие открытые ловушки дороже, чем токамаки, на токамаках можно получить гораздо лучшие параметры. Но если увеличивать размеры, то стоимость открытых ловушек растёт медленнее. Стоимость токамака пропорциональна кубу размера. А открытую ловушку просто удлиняют, поэтому она пропорциональна первой степени, то есть длине этой ловушки.
Роль ГДМЛ в данной схеме в том, чтобы поставить начальную точку, через которую надо проводить теоретические зависимости. А чтобы этим зависимостям поверили, придётся делать ещё и дальнейшие эксперименты.
- А как на ваши планы отреагировали физики с токамаков?
