К стройке будущей «Ангары» Валентин Смирнов ходил в резиновых сапогах: добраться до нее мешала грязь. Позже на этом месте заработала установка, ради экспериментов на которой в Троицк приезжали зарубежные физики. Между этими двумя картинами были годы строительства и сомнения коллег. Смирнов вспоминал, что ему прямо говорили:
Машина работать не будет.
Задача состояла в том, чтобы сосредоточить электрическую энергию в чрезвычайно коротком импульсе. Такой разряд позволяет на мгновение создать состояния вещества, недоступные обычному лабораторному нагревателю. Для Смирнова это стало одним из способов подступиться к термоядерной энергетике.
Биография Валентина Смирнова
Валентин Пантелеймонович Смирнов родился в Дубровицах под Подольском. После школы поступил в Московский инженерно-физический институт, но после первого курса перевелся в МФТИ. Еще студентом начал практику в Институте атомной энергии имени Курчатова, а в 1961 году окончил Физтех и продолжил исследовательскую работу.
В Курчатовском институте Смирнов под руководством Евгения Завойского изучал нагрев плазмы и распространение волн в ней. Плазма содержит свободные электроны и ионы — заряженные атомы. Электрические и магнитные поля меняют движение этих частиц, поэтому с их помощью можно передавать веществу энергию и управлять его поведением.
Для термоядерного синтеза нужно сблизить легкие атомные ядра, преодолев их электрическое отталкивание. Высокая температура помогает, но сама по себе задачу не решает: важны также плотность топлива и время, в течение которого оно остается в нужном состоянии. В токамаках горячую плазму удерживают магнитным полем в кольцевой камере. Другой подход предполагает быстрое сжатие и нагрев небольшой порции топлива: реакция должна успеть пройти прежде, чем вещество разлетится. С этим направлением оказалась связана значительная часть работы Смирнова.
Установка «Ангара»
В конце 1960-х годов он занялся мощными короткими пучками электронов. Их рассматривали как инструмент для нагрева термоядерных мишеней. Нужно было научиться получать импульс, доставлять его энергию к веществу и понимать, во что она превращается при взаимодействии с ним.
В 1975 году Смирнов разработал концепцию будущего комплекса «Ангара-5−1». Строительство и формирование команды развернулись в 1978-м, а в 1984 году установка заработала и дала первые физические результаты. Ее создавали в троицком филиале Курчатовского института, который позднее стал Троицким институтом инновационных и термоядерных исследований — ТРИНИТИ.
Принцип импульсной техники можно понять через разницу между энергией и мощностью. Энергию запасают, а затем отдают за очень короткое время. Чем короче разряд при том же запасе, тем больше его средняя мощность. Поэтому колоссальная мощность отдельного импульса еще не означает, что установка производит электричество: для эксперимента она сама получает энергию извне.
Как электрический ток сжимает плазму
Одним из направлений работы «Ангары» стали Z-пинчи — сжатие плазмы магнитным полем собственного тока. В опытах используют, например, тонкие проволоки, расположенные по цилиндрической поверхности. Мощный ток превращает их вещество в плазму и создает вокруг магнитное поле, которое гонит ее к оси цилиндра. При торможении сходящихся потоков вещество нагревается и испускает рентгеновское излучение.
Здесь недостаточно просто увеличить ток. Если разные участки плазмы движутся несогласованно, сжатие получается неравномерным, а вспышка растягивается во времени. Конструкция проволочной сборки влияет на результат: сколько вещества достигнет центра и насколько одновременно это произойдет.
В экспериментах на «Ангаре», результаты которых опубликовали в 2021 году, ток достигал трех миллионов ампер. Меняя состав и расположение вложенных друг в друга сборок, физики уменьшили неравномерность сжатия и получили более короткий рентгеновский импульс с большей пиковой мощностью.
Мощные рентгеновские источники исследуют в том числе для нагрева и сжатия термоядерного топлива.
Проверка Ангары и дальнейшая работа Смирнова
В конце 1980-х — начале 1990-х Смирнов вместе с физиком Сергеем Захаровым развивал способы повышения пиковой мощности излучения при магнитном сжатии плазмы. В 1993 году на «Ангаре» провели совместный российско-американский эксперимент. Зарубежная команда привезла собственную диагностическую аппаратуру, чтобы проверить результаты российских коллег. Измерения подтвердили их выводы: эффект воспроизводился при независимой регистрации.
В дальнейшем Смирнов возглавлял Институт ядерного синтеза Курчатовского центра и участвовал в работе над международным проектом ИТЭР. В 2003 году его избрали академиком РАН. Круг прикладных задач тоже расширялся: он занимался плазменным разделением компонентов отработавшего ядерного топлива и развитием электрофизических технологий для медицины.
При этом Смирнов не обещал скорого появления термоядерной электростанции. В интервью 2022 года он говорил, что не может назвать срок или заранее оценить ее конкурентоспособность с существующей атомной энергетикой. Его собственная «Ангара» получила вполне конкретную роль: на ней можно менять условия опыта и измерять, как вещество сжимается, нагревается и излучает за миллиардные доли секунды.
Ранее Наука Mail рассказала о задачах, которые предстоит решить на пути к термоядерному реактору.