В этой статье речь пойдёт об иностранном настоящем и российском будущем в лице термоядерного реактора Игнитор.

Cитуация с отечественной megascience-инициативой несколько прояснилась. Мы взяли интервью у большинства ключевых фигур:

• Михаила Ковальчука, директора Курчатовского института
• Виктора Матвеева, и.о. директора Объединённого института ядерных исследований в Дубне
• Юрия Балеги, директора Специальной астрофизической лаборатории РАН
• Михаила Панасюка, директора НИИ ядерной физики МГУ
• Сергея Кетова, профессора из Японии, одного из авторов известного письма соотечественников Дмитрию Медведеву
• Геннадия Кулипанова, замдиректора Института ядерной физики СО РАН.

Напомню, властями озвучена задача построить такие установки, которые наилучшим образом привлекут в Россию ведущих мировых учёных. Обсуждать целесообразность самой затеи бессмысленно, так как решение уже принято на самом верху. Там же определили, что установок будет примерно четыре.

По всей видимости, все четыре станут плодом работы «влиятельных неформальных сетей, связывающих высших государственных чиновников, крупный бизнес и мощное научное лобби» (определение из доклада OECD по российской науке). В очередной раз проигнорировав мировой опыт и лучшие практики, правительство России вместо создания открытой и публичной комиссии ведущих учёных (пример США) создало закрытую «рабочую группу» директоров, которая и будет выбирать проекты. Кажется, два уже выбрала: это итальянский токамак Игнитор и коллайдер NICA из Дубны. К ним наверняка добавится синхротронный источник MARS в Курчатнике и что-нибудь в Питере или Сибири.

Прежде чем рассказать о первом из этих проектов ещё раз подчеркну:

Заявленная цель всей megascience-инициативы вовсе не получение фундаментальных знаний об устройстве Вселенной, а привлечение максимального числа сильных иностранных учёных для работы в России вкупе с развитием побочных инноваций.

Конечно, научные прорывы важны для властей, но лишь как предпосылки роста престижа страны и ускорения модернизации.

Сами учёные пользуются примерно такой же риторикой.

«Для мира он будет не такой уж и “мега”, но для России – из разряда megascience», – говорит замдиректора ИЯФ МГУ Вячеслав Ильин про коллайдер NICA. Воспрянут инженеры-криотехники, специалисты по магнитам, лазерам, электроэнергетике… да что там – даже сварщики и землекопы потянутся в Россию слиться в едином порыве во благо прогресса науки.

Деньги как тёмная материя

С прогрессом у главных мировых мегапроектов сейчас некоторые проблемы. NICA и Игнитор по размаху и задачам существенно уступают Большому адронному коллайдеру и ITER, а эти два колосса пока не оправдывают возложенных на них надежд. Если Большой адронный коллайдер не найдёт свой несчастный бозон Хиггса, тысячи очкариков с рюкзаками из передового отряда апостолов физики постепенно превратятся в глазах чиновников в сборище альпийских дармоедов. Такой сценарий вполне вероятен. Например, Стивен Хокинг поставил 100 долларов на то, что БАК бозона не обнаружит.

Бозон Хиггса очень важен для многомиллиардного линейного коллайдера ILC, за строительство которого в России ратует часть нашей диаспоры в лице Сергея Кетова со товарищи. Дело в том, что чуть ли не основной задачей «нового» должно стать уточнение параметров открытых на БАК частиц. В Европе денег на ILC нет и не предвидится. У ЦЕРН обычно не хватает средств даже на оплату электроэнергии, чтобы обеспечить работу БАК зимой, когда тарифы высоки. Европейские финансовые чиновники при упоминании физических аббревиатур сейчас могут только нервно смеяться. У них есть три буквы гораздо страшней: PIG (преддефолтные Португалия, Ирландия, Греция). В таких условиях не до новых коллайдеров и прочих установок для фундаментальных исследований.

Денег не хватает даже в астрономии, где научный прогресс последних лет гораздо более явный, чем в ускорительной физике. На днях стало известно, что планируемый к постройке в Чили монструозный агрегат European Extremely Large Telescope ради экономии будет иметь зеркало не 42, а 39,3 метра в диаметре, несмотря на недавнее вхождение в проект Бразилии, обещавшей 130 миллионов евро. Американо-канадский конкурент TMT пока вовсе не может гарантировать себе финансирование в достаточном объёме. Немудрено, ведь эти телескопы стоят примерно по 1,5 миллиарда долларов каждый.

Сейчас ITER выглядит так. Кадр из онлайн-трансляции с места строительства

С ITER ситуация другая. Благодаря своей практической направленности он продолжает оставаться привлекательным. Нужды в сомнительных аргументах учёных-деньгополучателей про фундаментальную науку как кузницу инноваций здесь нет: непосредственная польза термоядерного проекта очевидна. Чистая и не зависящая от полезных ископаемых энергия крайне важна для большинства стран-участниц ITER, особенно для Европы, импортирующей больше половины всей своей потребляемой энергии, в основном в виде нефти и газа. Тот же дисбаланс объясняет интерес Японии к проекту, вызвавший многолетние задержки старта из-за дрязг при выборе места строительства. Играет на руку и всеобщее «озеленение».

Проект начался в 1985 году, но даже в своей нынешней версии не предполагает использования в качестве полноценной электростанции. На эту роль готовят реактор следующего поколения DEMO, но для его работы потребуется не только много денег, но и порядочно сверхдорогого изотопа водорода – трития.

Тритий планируется вырабатывать на ITER, но технология ещё требует детальной разработки и апробации. При этом DEMO также не станет коммерческим реактором – эта роль в европейской термоядерной программе предназначена уже PROTO – гипотетическому образцу электростанций будущего, который появится во второй половине века.

В основе ITER лежит концепция токамака – тороидальной камеры с магнитными катушками, предложенная Игорем Таммом и Андреем Сахаровым и воплощённая в реальность командой Льва Арцимовича. Токамак – не единственный вариант конструкции термоядерной установки. Значительные силы и средства тратятся на технологии инерциального удержания, в которых плазма должна поджигаться лазерами. Ключевой американский термоядерный проект National Ignition Facility построен именно по этой схеме, он заработал в конце 2009 года, но в процессе выявилась масса проблем. Третий тип конструкции, так называемый стелларатор, опробуют в Германии на установке Wendelstein 7-X, но строительство сильно затянулось.

Теперь пора обратиться к нашему Игнитору.

Геронтомак-поджигатель

Игнитор – предложенный в 1977 году проект токамака, альтернативный ITER и нацеленный примерно на тот же результат – достижение сколько-нибудь продолжительной термоядерной реакции с положительным балансом энергии. Главное здесь – зажечь (англ. ingnite) находящуюся внутри тора плазму и выйти на режим её «горения», когда поддержание температуры осуществляется за счёт самой реакции. Проект ITER в нынешнем виде не будет опираться на самоподдерживающееся горение. Там лишь обещают генерировать в 10 раз больше энергии, чем затрачивать на разогрев плазмы извне.

ITER и IGNITOR. Сравнительный масштаб. Источник: документация проекта Ignitor

По мысли отца-основателя проекта, профессора MIT Бруно Коппи, «горение» плазмы в сильном магнитном поле – единственный путь к коммерческой термоядерной энергетике. За свою долгую карьеру Коппи сумел построить в MIT несколько прототипов Игнитора, последний из которых – машина Alcator C-mod с самым сильным магнитным полем среди всех термоядерных экспериментальных установок. Игнитор должен быть ещё мощнее, при этом значительно компактней ITER. Радиус его плазменного «бублика»-тора всего 1,3 метра. Проект разработан в Италии, на родине Коппи, на деньги итальянского правительства.

Основная сложность, связанная с Игнитором, касается предлагаемой технологии нагрева и зажигания. Чтобы началась термоядерная реакция синтеза гелия, надо нагреть смесь дейтерия и трития – горячую плазму – до температуры свыше 100 миллионов градусов. При такой температуре любое соприкосновение со стенками камеры недопустимо, поэтому плазма удерживается вдали от них сильнейшим магнитным полем.

Это поле позволяет применять в токамаках технологию омического нагрева. Магнитные поля посредством индукции создают в плазме мощный ток, и она, обладая сопротивлением, нагревается. Парадокс, однако, заключается в том, что в плазме по мере нагрева падает сопротивление и, следовательно, эффективность омического нагрева. Получается, омический нагрев ограничивает сам себя (так говорится, например, на сайте ITER). Поэтому в ITER планируется сочетать его с двумя другими методами – радиочастотным волновым нагревом и инжекцией быстрых нейтральных атомов. А вот Игнитор рассчитан в первую очередь на омический нагрев.

Неудивительно, что эксперты, опрошенные журналом Nature, едины в скептической оценке проекта. Бывший научный руководитель Института физики плазмы Общества Макса Планка Гюнтер Хазингер сообщил:

«Мы изучили возможность зажигания плазмы в установке с сильным магнитным полем и пришли к выводу, что опора на омический нагрев даёт очень мало шансов (has a very narrow corridor of success) … Идея, что есть простое решение, а все учёные, занятые в ITER, просто слепо проталкивают самый дорогой и сложный проект – большое преувеличение».

«Игнитор – отличная возможность провести интересный эксперимент, но это тупиковый путь», –

вторит ему Стив Каули, директор UK Atomic Energy Authority, под началом которой работает крупнейший на сегодня токамак JET.

Коппи на это отвечает, что потенциал у омического нагрева гораздо выше, чем считают большинство его коллег.

Тонкости научно-технологического спора находятся за гранью моего понимания. Гораздо легче объяснить интерес России к противоречивому детищу итальянско-американского профессора. Здесь действуют три фактора: относительная дешевизна, влиятельность нашего главного термоядерного академика Евгения Велихова и его соратника Михаила Ковальчука, дружба с Италией и товарищем Берлускони.

Первое обсуждение совместного проекта состоялось между Коппи и Велиховым в 2004 году. Наш академик предложил использовать имеющуюся инфраструктуру ТРИНИТИ – Троицкого института инновационных и термоядерных технологий. Там под его руководством в советские годы был создан ТСП – токамак с сильным полем, несколько напоминающий Игнитор. Тот проект был заморожен, но площадка и коммуникации ТРИНИТИ наилучшим образом подходят для нового строительства, уверяет директор института Владимир Черковец.

Коппи, отчаявшийся увидеть своё детище во плоти, радостно согласился и начал продвигать проект на родине, где он пользуется большим авторитетом. В результате после долгих переговоров в 2010 году в присутствии Владимира Путина и Сильвио Берлускони был подписан меморандум о сотрудничестве.

Стоимость проекта составит порядка 250 миллионов евро, но окончательных сумм никто не называл.

Добавлю, в отличие от ряда других НИИ, институт ТРИНИТИ не был передан от «Росатома» Курчатнику, но руководить проектом будут именно оттуда. До развала СССР ТРИНИТИ был филиалом КИ, Евгений Велихов возглавлял его до 1978 года. Предполагаемый координатор проекта с российской стороны Энглен Азизов из ТРИНИТИ работает у Михаила Ковальчука директором Института физики токамаков. Все ключевые совещания проходят на базе КИ, и даже в презентации Владимира Черковца московский институт возглавляет список участников проекта.

Ещё одна важная особенность Игнитора – возраст его руководителей. Бруно Коппи и Евгению Велихову 76 лет, Энглену Азизову – 75. Получается, в основе реактора лежит не просто токамак, а «геронтомак». Для троицы заслуженных физиков рискованный и неклассический проект может стать последним шансом увидеть воплощённую цель своей научной жизни. Если плазма «загорится», международное внимание и приток специалистов со всего мира в Троицк обеспечены. Но пока этого не произойдёт, Игнитор будет оставаться, скорее, двусторонним российско-итальянским предприятием, уж очень много сомнений вызывает в мировом сообществе опора на омический нагрев.