Физика

«Сам термин "термоядерный" — русскоязычный»

Можно ли сделать звезду

PxHere/CCFE/JET/Indicator.Ru

Почему холодный термоядерный синтез — это фантастика, на какой базе вырастет по-настоящему зеленая энергетика и как сплав по горной реке двигает исследователя, рассказал для проекта Indicator.Ru и Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте Российской Федерации по науке и образованию «Я в науке» ведущий научный сотрудник Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» Сергей Ананьев.

— Сергей, в какой области науки вы работаете, в чем главная цель ваших исследований?

— Я специалист по физике плазмы и занимаюсь вопросами, связанными с этим направлением, а с недавних пор — и более общими задачами термоядерной энергетики. Моя область интересна тем, что решает фундаментальные вопросы. Мы стремимся дать человечеству новый тип энергии, и эта энергия должна быть строго контролируемой. Поэтому мы занимаемся вопросами термоядерной и гибридной энергетики, что объединяет в себе знания о синтезе и делении одновременно.

Моя деятельность направлена на создание установки управляемого термоядерного синтеза, которая могла бы дать безопасную энергию людям, чтобы экономить природные ресурсы и не наносить вреда окружающей среде. Потребление человечеством электроэнергии постоянно растет, и ядерная энергия пока остается самой дешевой, но любые электростанции нуждаются в топливе, а также производят отходы. Радиоактивные отходы ядерных станций — долгоживущие, и вопрос их утилизации до конца не решен. Гибридные установки позволят принципиально решить эту проблему на долгие годы.

— Расскажите подробнее о решении, которое вы разрабатываете.

— Уже 70 лет человечество бьется над проблемой создания реакции термоядерного синтеза в земных условиях. Это позволило бы перейти от привычных источников энергии к возобновляемым на основе изотопов водорода. Пробовали различные конфигурации и подходы. Были получены кратковременные зажигания этой реакции, но тем не менее до сих пор нет даже однозначного подхода к строительству термоядерного реактора, который мог бы обеспечить устойчивую реакцию синтеза.

Решение, которое предложила наша команда, — в некотором смысле возврат к старым идеям. С новой технологической базой мы получили возможность реализовать (или, по крайней мере, попробовать реализовать) проект гибридного реактора. Это так называемый термоядерный источник нейтронов, который имеет в своем сердце термоядерную плазму и за счет нейтронов, образующихся при синтезе легких изотопов, облучает тяжелые металлы, приводя к их делению.

Таким образом, мы получаем систему, которая никогда не будет подвержена каким-то цепным процессам, как это было в Чернобыле и на Фукусиме. Это будет контролируемый синтез. При этом у нас будет возможность решать проблему утилизации ядерных отходов, а также вовлекать другие элементы в топливный цикл. Например, вместо урана, который сейчас применяется в ядерной промышленности, мы можем предложить вовлечение тория и трансмутацию плутония. Это позволит человечеству обеспечить себя энергией на многие сотни лет и при этом не заполнить планету ядерными отходами.

— На какой стадии сейчас ваша работа? Какие интересные результаты вы уже получили?

— Я занимаюсь проектированием топливных систем, которые будут обеспечивать такую установку термоядерным топливом, а также мы исследуем конструкционные материалы, которые должны взаимодействовать с высокотемпературной плазмой и с изотопами водорода, которые ее составляют и должны подпитывать ее для стационарного горения. Чтобы моделирование топливных систем было корректным, необходимо оперировать реалистичными показателями, знать, как изотопы водорода будут взаимодействовать с материалами, из которых будут собраны элементы установки.

Мой проект по гранту РНФ, который я выиграл в 2018 году, направлен на разработку принципов моделирования транспорта водорода через кандидатные конструкционные материалы и на исследование свойств этих материалов при плазменном облучении. На текущий момент при моделировании и проектировании систем топливного цикла реактора используются данные лабораторных исследований, однако они имеют мало общего с тем, что будет происходить в условиях термоядерной установки при нейтронном повреждении материалов. Поэтому ключевой шаг к созданию новых конструкционных материалов с лучшими свойствами — проведение как можно более приближенных к рабочим условиям экспериментов.

Мной ведется проработка архитектуры систем и выбор кандидатных технологий, которые могут применяться при создании реактора или гибридной установки. Также я руковожу разработкой аналитической модели проникновения водорода через материалы установки, находящиеся при различных рабочих условиях. Одним из результатов моделирования является содержание водорода в дефектах материалов, возникающих при нейтронном облучении, — это важнейшая проблема реакторного материаловедения при конструировании термоядерных установок. При поддержке гранта РНФ в нашей лаборатории создается новый экспериментальный стенд для получения плазмы в геликоновом разряде, с помощью которой мы сможем проводить облучение образцов не из газовой фазы, а из плазменной — это принципиально влияет на показатели, которые мы получим. На текущий момент у нас есть экспериментальные результаты по газовой проницаемости и накоплению водорода в материалах, и мы планируем сопоставить эти данные с новыми результатами, полученными на нашей новой установке. Это позволит понять, как изменятся расчетные содержания изотопов водорода в системах с учетом того, что часть конструкционных материалов будет взаимодействовать с плазмой. От точности наших знаний об этом напрямую будет зависеть безопасность эксплуатации таких реакторов.

— Получается, сейчас вы моделируете условия, максимально приближенные к тому, что будет происходить в установке для холодного термоядерного синтеза?

— Холодный термоядерный синтез — это фантазии. В любом случае для того чтобы частицы вступили в реакцию друг с другом и произошел синтез нового элемента из двух, необходимо преодолеть кулоновский барьер, который отталкивает эти частицы друг от друга. Соответственно, необходимо эти частицы как можно ближе прижать друг к другу. И сила, с которой мы их сближаем для реакции, пропорциональна энергии. А энергия приводит либо к высоким концентрациям вещества, либо к высоким температурам, а по правде говоря — и к тому, и к другому. Поэтому попытки реализации холодного синтеза — это, скорее, научная фантастика. Характерные температуры — это миллионы градусов, сотни миллионов, и высокие плотности вещества.

— Но ведь есть же температура, которая называется «холодной термоядерной»? Насколько она ниже, чем в звездах?

— Синтез элементов возможен при одновременном выполнении двух условий — высокой скорости соударения ядер (соответствует температуре) и произведении концентрации вещества на время удержания плазмой температуры — в учебниках физики это называется «критерием Лоусона». Он довольно однозначно определяет требования, при соблюдении которых возможна реакция синтеза. Разные подходы к реализации синтеза предлагают разные соотношения параметров вещества, но их произведение тем не менее должно удовлетворять этому критерию. Самые низкие значения температуры для протекания реакции термоядерного синтеза могут быть при взаимодействии тяжелого изотопа водорода дейтерия со сверхтяжелым тритием. Но даже при этом температура будет порядка сотен миллионов градусов, а значения концентрации — на уровне 1020 частиц в м3 и более.

А если мы говорим о том, чтобы моделировать процессы, которые происходят на звездах, в том числе на Солнце, нам надо будет еще на один-два порядка повысить это значение. На звездах протекают реакции существенно более интересные для нас с точки зрения исходного продукта. В естественной среде тяжелых изотопов водорода содержится очень немного, а сверхтяжелых еще меньше, потому что тритий распадается естественным образом. Соответственно, для реакции дейтерия с тритием необходимо эти вещества наработать. Более интересны механизмы, когда участвуют дейтерий и гелий либо протоны и бор, которых, опять же, больше, чем трития. К сожалению, такие реакции требуют существенно более жестких условий. Наверное, развитие в этом направлении будет происходить постадийно: вначале мы реализуем самую простую реакцию, человечество научится с этим работать, и дальше мы будем оптимизировать установки, чтобы достичь более высоких параметров и получить существенно более зеленую энергетику, к которой мы стремимся.

— Как вы оцениваете уровень отечественных исследований в вашей области? Россия — лидер в исследованиях термоядерного синтеза?

— Россия всегда была лидером в этой области, сам термин «термоядерный» — русскоязычный. Самая эффективная на текущий момент система для магнитного удержания плазмы была предложена и реализована в Советском Союзе. И крупнейший международный проект, реактор ITER, который строится во Франции, — это токамак (тороидальная ловушка), а токамаки строились в СССР на протяжении длительного времени.

Очевидно, за последние 20 лет мы утратили свои позиции в области технологий, и это не позволяет нам конкурировать именно в вопросах строительства. Но в области физики, безусловно, Россия остается лидером. В создании гибридных систем, о котором я рассказывал, Россия — абсолютный лидер. Во-первых, эта идея была предложена и прорабатывалась у нас. Во-вторых, Россия лидирует в области создания ядерных станций, которые работают на принципе деления. В Курчатовском институте ученые, которые занимаются этими вопросами, сосредоточены в масштабах одного научного центра, чтобы общими усилиями создать установку, которая объединит в себе знания очень большого количества специалистов. В мире есть несколько подобных проектов, но они либо копируют наши старые работы, либо являются концептуальными проектами, далекими от технической реализации. Поэтому у нас есть огромный задел. Я искренне надеюсь, что мы сможем отстоять здесь свою лидерскую позицию, и я внесу в эту работу свой вклад.

— Насколько развито международное сообщество специалистов в вашей области? Вы часто выезжаете на конференции?

— Главные международные конференции обычно проводятся раз в два или три года, российские, за небольшим исключением, проводятся практически каждый год. Со временем сфера научных интересов расширяется, и в год мне приходится бывать на двух, наверное, конференциях за рубежом, и двух-трех конференциях в России. То есть пять-шесть командировок в год — это средний показатель, который позволяет мне следить за актуальными направлениями в тех областях, где я хочу быть специалистом.

— А какие достижения российских ученых в других областях науки за последнее время вас порадовали?

— Очень много интересных результатов сейчас получено либо с участием российских ученых, либо их непосредственными силами. Я говорю, например, об открытиях на Большом адронном коллайдере. Вообще, международные проекты класса megascience в большинстве своем основаны на идеях еще советских ученых. Потрясающие достижения связаны с биологией и биохимией. Доставка лекарств к очагам заболевания и способ упаковки лекарств в контейнеры — это то, о чем можно было только мечтать десять лет назад, а сейчас это уже реализовано. Методы более эффективной борьбы с раковыми опухолями — тоже результат, полученный руками и умами российских ученых. То, как развивается химия, нейротехнологии, лазерные технологии и другие области физики, меня восхищает и заставляет гордиться людьми, которые вместе со мной занимаются наукой в России и за ее пределами.

— Как вы считаете, чем сегодня наука может быть привлекательна для молодежи?

— Наука для молодых интересна прежде всего тем, что она не дает скучать. Она не позволяет сидеть на месте, заставляет все время развиваться. А наверное, саморазвитие — это и есть наша жизнь или по крайней мере ее цель. Я не знаю другой сферы деятельности, где человек одновременно мог бы заниматься таким количеством интересной, не рутинной, творческой работы. И при этом ученые могут сочетать абсолютно разные области деятельности по своему усмотрению. Ученый должен быть и грамотным организатором, и внимательным читателем, и дипломатом, и технически подкованным специалистом. Я считаю, что именно деятельность ученого позволяет человеку реализоваться на 100%, понимать свои слабые стороны и развиваться. Что может быть интереснее?

— В каком возрасте и почему вы решили стать ученым?

— Мне с детства нравилось что-то мастерить, я занимался в секциях по моделированию, и меня это захватывало. Несмотря на то что мои учителя в школе предсказывали мне блестящее будущее в гуманитарных науках, я неожиданно даже для себя в 10 классе пошел в физико-техническую школу и стал углубленно заниматься физикой и математикой. Раньше они давались легко и поэтому особого интереса не вызывали, но как только что-то стало не получаться, меня это захватило, я стал разбираться. К моменту окончания школы я уже, по сути, познакомился с площадкой Курчатовского института, и у меня не было сомнений, куда идти дальше. С первого курса я пошел заниматься исследовательской деятельностью в институт, и вот уже 20 лет продолжаю.

— О чем вы хотели бы предупредить молодых людей, которые только начинают заниматься наукой? С чем им предстоит столкнуться?

— Я хотел бы сказать молодым ученым, что не надо бояться и нельзя ждать, пока придет большой ученый, который вам расскажет и покажет, что и как делать. Безусловно, должно быть наставничество, безусловно, должен быть научный руководитель. Чем более он опытен и дальновиден, тем вам будет легче определиться с правильным направлением. Но, во-первых, на каждой ошибке мы учимся чему-то новому, во-вторых, вы должны развивать собственную научную интуицию и учиться решать сложные проблемы. Не надо сидеть и ждать, надо действовать. Даже если вы столкнетесь при этом с какими-то трудностями, вы всегда их решите. И наоборот, если вы просто плывете по течению, даже когда вам повезет в какой-то момент, не исключено, что это выйдет боком и вам придется потом разбираться с тем, с чем вы столкнулись не по вашей инициативе. Поэтому главное — не бояться и действовать.

— Вы посоветовали бы своему ребенку избрать научную карьеру?

— Наверное, я бы дал возможность ребенку принимать решение самостоятельно. Наука бывает очень разной, я занимаюсь техническими вопросами, а есть и социальные науки, и междисциплинарные исследования. Я считаю, что ученого отличает живость ума и желание все узнать. Это какая-то детская черта, которую постепенно мы утрачиваем. Мне бы хотелось, чтобы мой ребенок так же, как я, старался успеть «поиграть во все игрушки», познакомиться с как можно большим числом умных и интересных людей, все-все-все узнать. Вполне возможно, когда моя дочка вырастет, у нее будет такая возможность. Я с радостью приму ее выбор.

— Если бы вы могли отправить из сегодняшнего дня письмо себе самому на пять-десять лет назад, что бы вы себе написали?

— Я, пожалуй, посоветовал себе самому то же, что хотел бы сказать всем молодым ученым, — надо быть активнее. Нельзя ждать, надо стараться быть более разносторонним. Не бояться лезть в те вопросы, в которых вы не являетесь специалистом, потому что именно это вам позволяет набивать руку, развиваться и учиться преодолевать сложности. Еще я посоветовал бы себе лучше учить язык, чтобы легко общаться с зарубежными коллегами. Вы можете быть классным специалистом, но незнание каких-то моментов может очень сильно связывать руки. Если вы общаетесь с большим количеством специалистов по всему миру, то реализовать ваши начинания будет проще.

— А какие иностранные языки вы уже знаете, и какой хотели бы выучить?

— Я не очень хорошо, к сожалению, знаю английский. Это всегда меня ограничивает. Умение бегло разговаривать на английском — обязательное требование для человека, который себя видит в будущем ученым. Вся наука — международная. Взаимодействовать с другими учеными нужно обязательно, а английский для них если не родной язык, то по крайней мере, основной.

— Есть ли у вас любимая книга?

— В свое время большое влияние на меня оказали две книги. Это «Искатели» Даниила Гранина — интересная и занимательная книга о жизни ученых, наверное, она отчасти повлияла на то, что я пошел в науку и стал ей заниматься серьезно. Вторая и не менее интересная — «Роберт Вуд», об исследователе, который буквально на коленке ставил фантастические эксперименты. Поскольку я с детства любил что-то конструировать, меня восхищали такие люди, и опыт таких исследователей, в общем, меня мотивировал направить знания и энергию в научное русло.

— Расскажите, какого вымышленного персонажа вы хотели бы видеть сотрудником своей лаборатории?

— О, это чудесный вопрос. Мне очень нравится фильм про Железного человека, где он на коленке собирает в лаборатории ускоритель и получает новый элемент. Вот это идеальный научный сотрудник, который может из ничего самостоятельно собрать установку и получить феноменальный результат. Если бы я имел пару-тройку таких студентов, результаты были бы просто замечательные.

— Чем вы увлекаетесь, откуда черпаете силы для работы?

— Я считаю, что человек должен периоды активной работы сменять периодами разрядки. И я такую разрядку нахожу в путешествиях, можно назвать это туризмом. Я плаваю на каяке — это полиэтиленовая байдарка. Езжу по всему миру, прыгаю с водопадов, плаваю по горным речкам. И это позволяет мне накопить силы, чтобы на работе двигать науку.

— Продолжите фразу: «Я в науке, потому что…»

— Я в науке, потому что наука — это круто, это интересно. Она позволяет мне развиваться и делать это очень разносторонне и насыщенно.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов»

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.