Диагностика плазмы: российские технологии для термоядерной эры

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Термоядерный синтез — энергия будущего, создаваемая уже сегодня. С этого начал заседание руководитель пресс-службы Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Александр Петров. Он подчеркнул, что развитие термоядерных технологий — это не отдалённая перспектива, а стратегическое направление, определяющее будущее мировой энергетики.

- Сегодня уже не вызывает сомнений, что именно термоядерный синтез призван стать основополагающей технологией энергетики недалёкого будущего. Это экологически чистый и безопасный источник, способный обеспечить человечество энергией на тысячелетия вперед, — отметил Александр Петров.

Руководитель пресс-службы Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Александр Петров

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Он добавил, что Россия как один из пионеров термоядерных исследований активно участвует в международном проекте ИТЭР и развивает собственную программу в рамках национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии». По словам спикера, особое значение имеет разработка диагностических комплексов — «одного из самых наукоёмких и значимых направлений, где у России накоплен колоссальный опыт».

КОГДА АЛМАЗ - НЕ РОСКОШЬ

Старший научный сотрудник Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Кирилл Артемьев рассказал о создании уникальной отечественной технологии синтеза монокристаллических алмазов — материала, без которого невозможно построить надёжную систему диагностики плазмы.

- Наш сектор с 2019 года пришел к тому, что нужно развивать собственную платформу синтеза монокристаллов и полного цикла производства детекторов. Мы самостоятельно выращиваем кристаллы, наносим контакты, собираем корпуса и проводим тестирование, — отметил он.

Старший научный сотрудник Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Кирилл Артемьев

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

По словам Артемьева, выбор в пользу синтетического алмаза продиктован не модой, а физикой.

- Если использовать природный алмаз, в нём слишком много примесей и дефектов, - объяснил спикер. - Они искажают сигнал и не позволяют качественно регистрировать данные. Найти в природе идеально чистый кристалл почти невозможно — это как искать бриллиант среди тысяч камней. А синтетический алмаз дает стабильный, предсказуемый результат и выдерживает экстремальные условия плазмы.

СПИДОМЕТР ДЛЯ РЕАКТОРА

Начальник сектора «Диверторный монитор нейтронного потока» Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Тимофей Кормилицын рассказал о своей работе и о том, почему нейтронная диагностика — одно из ключевых направлений для будущего термоядерной энергетики. Молодой ученый отметил, что эта тема увлекла его еще во время кандидатской диссертации и стала основой профессионального пути.

- Я защитил кандидатскую всего три года назад по теме нейтронной диагностики плазмы. Эта область всегда меня привлекала, потому что нейтроны, рождающиеся в реакторе, позволяют понять, какая была мощность реакции, температуру плазмы, эффективность её нагрева и удержания, - рассказал Тимофей Кормилицын.

Начальник сектора «Диверторный монитор нейтронного потока» Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Тимофей Кормилицын

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Говоря о проекте, над которым работает его команда, он подчеркнул, что создаваемая ими система — это уникальный инструмент контроля внутри термоядерного реактора.

- Конкретная диагностика, которую я координирую, — это диверторный монитор нейтронного потока, - раскрыл подробности ученый. - По сути, это спидометр для нашего реактора: он показывает, сколько термоядерных нейтронов рождается в плазме. Мы разместили детекторные узлы максимально близко к плазме — буквально на расстоянии пары метров, прямо на внутренней поверхности вакуумной камеры. Это позволило достичь высокой чувствительности и точности измерений, в сравнении с остальными, более удаленными нейтронными диагностиками.

По словам Кормилицына, именно эта система будет играть ключевую роль в настройке и калибровке других нейтронных диагностик, поставляемых странами-участницами на площадку ИТЭР, а работа над ней стала площадкой для сотрудничества поколений учёных — от опытных специалистов до студентов ведущих технических вузов.

ИСКУССТВО ТОЧНОСТИ

Старший научный сотрудник Института ядерной физики Сибирского отделения РАН Светлана Иваненко рассказала, как коллектив ИЯФ решает одну из самых сложных инженерных задач проекта ИТЭР — создание и размещение диагностических комплексов в экстремальных условиях сверхвысокого вакуума и радиации.

- Если мы говорим про ИТЭР, то требования к установке такие же, как к атомному реактору. Чтобы доказать, что какая-то диагностика или материал может там использоваться, нам приходится фактически создавать новые технологии, — отметила Светлана Иваненко.

Старший научный сотрудник Института ядерной физики Сибирского отделения РАН Светлана Иваненко

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Она пояснила, что в ИЯФ для этих целей разработаны уникальные решения — от новых материалов до инновационных способов сверления.

- Мы создали новый материал — синтезированный карбид бора для защиты от нейтронного потока, - рассказала спикер. - Спеченая керамика из этого материала, которая будет использоваться на ИТЭР, сегодня запущена в серийное производство на ООО «Вириал» (Санкт-Петербург). Для диагностических защитных модулей мы разработали технологию глубокого сверления: это двухметровые отверстия диаметром 10 миллиметров с погрешностью не более миллиметра на метр. В России этим раньше никто не занимался.

По ее словам, проектные решения ИЯФ уже признаны на международном уровне и одобрены ИТЭРом как единый стандарт.

НОВЫЕ НАУЧНЫЕ СВЯЗИ

Директор Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» (https://t.me/rosatomru) Анатолий Красильников рассказал о результатах 21-й Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» и отметил, что она стала значимым шагом в развитии отечественной термоядерной науки.

- В этом году мы провели уже 21-ю конференцию, - отметил спикер. - Удалось собрать 170 докладов из ведущих научных центров страны. Конференция вызвала колоссальный интерес у всех, кто занимается термоядерными исследованиями. Это не просто место, где ученые рассказывают о своих достижениях — здесь проходят круглые столы по самым важным темам и формируются новые научные связи.

Директор Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Анатолий Красильников

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Он подчеркнул, что значение форума выходит далеко за рамки обмена опытом.

- Мы рассматриваем конференцию как площадку, где выстраивается сотрудничество между различными научными центрами. Сегодня мы объединяем институты Академии наук и Росатома в единую цифровую сеть, чтобы обеспечить коллективную работу учёных, совместное проектирование и обработку данных. Это очень важно для дальнейшего прогресса в термоядерных исследованиях, — добавил он.

ГИРОТРОНЫ

Заведующая сектором Института прикладной физики Российской академии наук Ирина Зотова рассказала, как нижегородские гиротроны – уникальные источники мощного миллиметрового излучения – становятся инструментом не только нагрева, но и диагностики термоядерной плазмы.

- Мощное излучение гиротронов может быть использовано не только для нагрева плазмы, но и для диагностики таких важных параметров центральной области плазменного шнура, как ионная температура, ионный состав и распределение скоростей частиц. Эта информация может быть получена при регистрации рассеянного излучения на флуктуациях плазмы в процессе так называемого, коллективного томсоновского рассеяния, – отметила Ирина Зотова.

Заведующая сектором Института прикладной физики Российской академии наук Ирина Зотова

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Она подчеркнула, что гиротроны являются фактически единственными источниками излучения, позволяющими реализовать этот метод.

- Отклик плазмы на воздействие чрезвычайно слаб — на 14 порядков меньше мощности зондирующего излучения, - объяснила Ирина Зотова. - Поэтому для такой диагностики нужны источники с большой мощностью. Гиротроны как раз уникальны тем, что обеспечивают самую высокую мощность монохроматического излучения в миллиметровом диапазоне, что делает их незаменимыми для этой задачи.

К СИСТЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ БУДУЩЕГО

Руководитель диагностического направления «Диагностика томсоновского рассеяния в диверторе» Физико-технического института РАН Евгений Мухин рассказал о развитии одной из ключевых российских диагностик для проекта ИТЭР — томсоновского рассеяния. Он напомнил, что история этой технологии началась ещё в 1969 году, когда английские учёные привезли сотни килограммов диагностического оборудования, чтобы помочь советским исследователям измерить температуру плазмы. Тогда удалось зафиксировать температуру порядка 10 миллионов градусов — сравнимую с температурой внутри Солнца, что стало прорывом для мировой науки.

Руководитель диагностического направления «Диагностика томсоновского рассеяния в диверторе» Физико-технического института РАН Евгений Мухин

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

- С тех пор прошло 35 лет, и сделан колоссальный шаг вперёд — разработаны новые лазеры, полихроматоры, двигатели, - подчеркнул Евгений Мухин. - Диагностика теперь не просто измеряет параметры плазмы, а становится частью системы управления термоядерной установкой. На конференции в Сочи мы представили новые результаты. Мы предложили для ИТЭР нестандартную диагностику, работающую сразу на трех длинах волн. Это делает систему более надёжной, позволяет получать сигналы быстрее и точнее.

УНИКАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ

Мы единственные, кто может измерять изотопный состав плазмы с такой точностью. Ведущий научный сотрудник Физико-технического института РАН Федор Чернышев рассказал о разработке уникальной системы корпускулярной диагностики — одной из ключевых для проекта ИТЭР и будущих термоядерных установок. Ученый отметил, что эта диагностика основана на регистрации и анализе энергетических распределений нейтральных частиц, выходящих из плазмы.

- Мы поставляем на ИТЭР два таких анализатора — каждый из них весит около трёх тонн, - сказал эксперт. - Их основная задача — измерение и управление изотопным составом плазмы. От этого напрямую зависит интенсивность реакции синтеза.

Ведущий научный сотрудник Физико-технического института РАН Федор Чернышев

Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП

Он подчеркнул, что приборы российского производства обладают рядом преимуществ перед зарубежными аналогами.

- Наши анализаторы имеют абсолютную калибровку — мы проверяем их на собственных источниках пучков атомов, - продолжали Федор Чернышев. - За годы работы мы изготовили десятки приборов разных модификаций — как для небольших лабораторных плазменных установок, так и для крупных токамаков в Великобритании, США и Японии.

Федор Чернышев отметил, что сейчас именно российские установки станут частью международного проекта ИТЭР.

- Мы — основоположники этого направления и продолжаем совершенствовать приборы. В ИТЭР наши системы будут отвечать за анализ изотопного состава и удержание продуктов синтеза — это ключ к стабильной работе термоядерного реактора, - заключил спикер.