Полный токамак
Как США потратили миллиарды и проиграли термоядерную гонку
Глава Принстонской лаборатории физики плазмы, NSTX-U (National Spherical Torus Experiment Upgrade), американского флагмана по исследованиям термоядерного синтеза, физик Стюарт Прагер подал в отставку. О своем увольнении также заявила заместитель по научным программам Министерства энергетики США, отвечавшая за перспективные ядерные исследования. Наконец, этой осенью должен закрыться Alcator C-Mod — один из двух самых мощных термоядерных реакторов в стране.
60 лет назад физики-ядерщики обещали практически неисчерпаемую энергию из воды уже в ближайшем будущем. Несмотря на солидное финансирование, особенно в США, прогресс в термоядерных исследованиях столкнулся со значительными технологическими трудностями.
И волна кадровых перестановок в научном мире США, похоже, носят закономерный характер.
***
К отставке главы Принстонской лаборатории физики плазмы, NSTX-U (National Spherical Torus Experiment Upgrade), Стюарта Прагера привели поломки в NSTX-U, одного из крупнейших мировых сферических токамаков (тороидальной камеры с магнитными катушками).
Его запустили меньше года назад - в декабре 2015 года, а остановили после неполадок уже в июле 2016-го. Построенный на основе созданной в 1999 году установки NSTX, этот токамак оказался весьма дорогим проектом — модернизация обошлась в 94 миллиона долларов. Он развивает в два раза большую мощность и в пять раз — длительность импульса, чем его предшественник (магнитная индукция — 1 тесла, тепловая мощность — 10-12 мегаватт).
В отличие от классического токамака тороидальной формы, у NSTX-U, хотя и сохраняющего, строго говоря, такую же форму, крайне малая внутренняя полость. Это позволяет эффективно удерживать и разогревать плазму при менее сильных магнитных полях. Установка обеспечивает достаточное производство трития — редкого изотопа водорода, необходимого для термоядерной реакции, а стенки такого токамака менее уязвимы к повреждениям. Потенциально подобные установки экономически выгоднее.
Неполадки в NSTX-U, обнаруженные июле, связаны с выходом из строя после 10 недель работы одного из 14 магнитов. Причина неисправности, как показал рентгеноструктурный анализ, — жесткая медная намотка катушки. В результате токамак развивал лишь половину своей мощности. При разборке установки обнаружили также повреждение медной трубы системы охлаждения. Специалисты предупреждали, что тут гораздо лучше подошла бы нержавеющая сталь.
Главный вопрос: кто в этом виноват? Токамак NSTX модернизировался в течение четырех лет, с 2012 года, и за это время наверняка можно было просчитать оптимальную конструкцию. Если медный провод расплавился из-за слишком высокой температуры в обмотке, то виноваты ученые и руководитель эксперимента — Прагер. Если это не так, вина ляжет на поставщиков оборудования и материалов для NSTX-U.
В Министерстве энергетики США воздержались от комментариев по поводу отставки Прагера. Однако два источника, пожелавшие остаться неназванными, в беседе с Physics Today связали увольнение Прагера с позицией ведомства.
Примечательно, что прежний директор Принстонской лаборатории физики плазмы Роберт Голдстоун ушел в отставку, когда его проект — стелларатор NCSX (National Compact Stellarator Experiment) — после превышения бюджетного финансирования в 100 миллионов долларов было решено закрыть.
Сам Прагер говорит, что обсуждал свою отставку только с руководством Принстонского университета, под операционным руководством которого находится лаборатория физики плазмы.
«Руководство Принстонской лабораторией физики плазмы — замечательный опыт. Но, преодолев семилетний рубеж, я начал думать о том, как перейти к новому этапу жизни, — говорится в официальном заявлении физика. — Недавний технический регресс на объекте NSTX-U неожиданно и внезапно определил момент, который мне кажется подходящим для этого перехода».
Прагер возглавлял лабораторию с 2008 года. Он продолжит работать в лаборатории в качестве исследователя и останется профессором астрофизики в Принстонском университете. Временным руководителем NSTX-U назначен Терри Брог, который в июле 2016 года перевелся в Принстонскую лабораторию физики плазмы из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, также находящейся в ведении Министерства энергетики США.
На замену катушки, а также еще одного магнита, находящегося на противоположной установке, уйдет год. Все это время NSTX-U будет простаивать, а ученые — заниматься вопросами дизайна установки, то есть просчетом возможной оптимизации конструкции, а также снижением рисков возможных неполадок. Инженеры уже предложили четыре варианта замены магнитов, минимально затрагивающие работоспособность остальных элементов токамака.
***
В середине сентября о своей отставке с 10 ноября 2016 года объявила Патриция Демер, в течение девяти лет занимавшая пост заместителя по научным программам Министерства энергетики США. Химик по образованию, до работы в министерстве она 23 года занималась исследованиями по материаловедению и физике конденсированного состояния вещества. С ее непосредственным участием были запущены, в частности, LCLS (Linac Coherent Light Source) — первый в мире разер (рентгеновский лазер) на свободных электронах, и NSLS-II (National Synchrotron Light Source II) — самый мощный в США источник синхротронного излучения.
Исследованиям, посвященным термоядерному синтезу, Демер уделяла мало внимания. Другие научные задачи, по ее мнению, могли дать важные результаты уже сейчас. Тем не менее она не отказывала программам термоядерного синтеза в финансировании. Демер уже 71 год, конкретных планов по дальнейшей работе у нее пока нет, но она полагает, что «за и пределами Министерства энергетики США должна быть жизнь». Ее место займет специалист по компьютерным методам Стив Бинкли, отличающийся, по словам министра энергетики Эрнеста Мониса, «широкий взглядом на все программы».
***
Еще одно знаковое событие ожидает американских ученых в скором будущем. Осенью 2016 года должна закрыться лаборатория Alcator C-Mod при Массачусетском технологическом институте, проработавшая более 20 лет. Решение о об этом было принято в 2014-м: Конгресс США поддержал финансирование установки в 2015-м с условием ее закрытия через год. Часть сотрудников Alcator C-Mod перейдет на работу в NSTX-U. Сегодня в США остается только одна мощная действующая установка по исследованию термоядерного синтеза — DIII-D, находящаяся в ведении оборонного подрядчика General Atomics в Сан-Диего.
Андрей Борисов