— Институт у нас большой, 1600 человек, и в нём несколько главных направлений, за которые отвечают научные отделения физики плазмы и электроники больших мощностей, нелинейной динамики и оптики, гидроакустики, геофизических исследований и другие. Многие из них берут начало из ключевых задач, которые ещё до образования института начали решать академик Андрей Викторович Гапонов-Грехов, наш первый директор, и его коллеги. С 21 февраля 2023 года институт носит имя Гапонова-Грехова, и мы считаем, что это крайне важно: когда новый человек приходит в институт, он не всегда знает историю, но имя в названии уже о многом говорит.
Одна из «визитных карточек» института — это, пожалуй, физика плазмы и электроника больших мощностей. Здесь у нас имеются удивительные генераторы — гиротроны, которые придумал Гапонов-Грехов. Вернее, он ещё в начале 1960-х годов показал, что вращающиеся электроны в магнитном поле можно заставить излучать синхронно, когерентно, с очень высокой эффективностью.
На этой основе созданы очень мощные генераторы, которые имеют частоту, промежуточную между используемой в оптической и традиционной сверхвысокочастотной (СВЧ) технике. Если у вас есть микроволновая печь, то длина волны там около 15 см. У лазеров длина волны порядка 1 микрона — одной десятитысячной сантиметра, а у гиротрона длина волны — миллиметр. С одной стороны, излучение гиротрона — это почти СВЧ, а с другой — пучок распространяется направленно, как оптический луч.
— И где они применяются?
— Для современных установок управляемого термоядерного синтеза — токамаков (это такой «бублик» с магнитным полем, тороидальная камера с магнитными катушками — так он и расшифровывается) требуются именно такие частоты. В них излучение гиротронов по нескольким каналам поступает в плазму и играет несколько ролей. Чтобы пошла термоядерная реакция, плазму надо нагреть до 100 млн градусов. Плазма в токамаке находится в сильном магнитном поле, там электроны крутятся с частотой, совпадающей с частотой этого излучения, и, поглощая его в резонансе, нагревают плазму. Важна также стабилизация неустойчивостей плазмы: плазма норовит то на стенку осесть, то ещё как-то ускользнуть. И оказывается, что только гиротроны позволяют локально подогревать плазму, управлять подавлением этих неустойчивостей. Ещё для устойчивости в токамаке нужен азимутальный ток, и его можно создать при определённом введении пучков гиротронного излучения в камеру. Появляются магнитные линии, которыми плазма и удерживается, устойчивость системы повышается. Ни один токамак мира сейчас не рассматривается без гиротронов.
Институт участвует в проекте ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный экспериментальный термоядерный реактор. — Прим. ред.). Это самый большой физический проект в мире. Оценка его стоимости — 25 млрд евро, и подозреваю, что сумма далеко не окончательная. По проекту сначала планировались системы нагрева из 24 гиротронов, каждый из которых даёт мегаватт непрерывного излучения, а сейчас рассматривается увеличение числа гиротронных систем до 40 или даже до 60.
Метод электронно-циклотронного нагрева оказался удачным подходом и успешно развивается. Причём гиротрон имеет очень высокий коэффициент полезного действия (КПД), у наших гиротронов 50—55%. Это достаточно много. Хотя не всё так просто. Если КПД 50%, то половина мощности электронного пучка идёт в излучение, половина — на коллектор, который нагревается. Так вот, коллектор охлаждается двадцатью литрами воды в секунду. Два ведра в секунду, иначе мегаватт с коллектора не убрать.
— В чём задача проекта ИТЭР?
— Удерживать плазму в токамаках уже умеют, но для протекания реакции необходимо выполнение так называемого критерия Лоусона, который содержит в себе, кроме температуры, время удержания и концентрацию плазмы. На некоторых установках его удалось выполнить, но не столь долго — буквально секунды. Цель международного проекта ИТЭР — продемонстрировать физическую возможность горения разряда 500—1000 секунд с КПД более 10. То есть на вложенную энергию должно производиться энергии в 10 раз больше. Подчёркиваю, КПД там 1000%, не как мы привыкли — 20—50%. ИТЭР не будет экспериментальной электростанцией, это физическая установка, цель которой — продемонстрировать большой КПД термоядерной реакции.
После ИТЭР предполагаются исследования концепции установки DEMO. Она будет прототипом электростанции — это установка, которая производит электроэнергию, не просто тепло. Тут уже мировое сообщество разделилось, и многие группы и страны выбрали свои пути, потому что ИТЭР — международный проект, но международная бюрократия тормозит процесс. Только представьте: Европа, США, Япония, Корея, Индия, КНР, Россия, Казахстан — как они могут договориться такой командой? Причём это делается во Франции, в Комиссариате по атомной энергии. Там такая бюрократия! Поэтому на DEMO многие страны выбрали свой путь.
— А нужны сейчас термоядерные реакторы?
— Пока не очень. Нефти сколько хотите, газа — тоже. Атомные электростанции очень эффективны, запас топлива большой. Хватит на пятьдесят — сто лет. А когда ресурсы начнут иссякать, человечество поднажмёт и сделает термоядерный источник энергии.
Заниматься термоядерными исследованиями надо обязательно. Во-первых, это интересно и престижно. Во-вторых, научные и инженерные разработки компонентов токамака оказались весьма полезными для других приложений. Кстати, в последние годы наблюдается бум термоядерных установок — они начали строиться везде. И практически везде наши гиротроны.
— Перечисляя направления деятельности института, вы упомянули и оптику, и геофизику…
— Наш институт участвует в очень крупном проекте, который называется «Экстремальный свет». Основным зачинщиком работ в этом направлении был академик Александр Михайлович Сергеев (в 2015—2017 годах директор института, в 2017—2022-м — президент РАН. — Прим. ред.). Речь о создании лазеров с экстремальной мощностью или интенсивностью. Импульс получается очень короткий, но амплитуды полей совершенно фантастические. И при воздействии на электроны, ионы, даже просто на вакуум — вот это удивительно! — возникают всякие неожиданные явления. Взять, например, вакуум: казалось бы, там ничего нет, но, если воздействовать на него очень большим полем, может получиться электрон-позитронная плазма.
— Какие могут быть этому практические применения?
— Пока никаких. Это фундаментальная наука, познание новых явлений, может быть, даже новых законов. Есть немного побочная «веточка» — таким излучением можно ускорять электроны, протоны достаточно больших энергий на относительно небольших дистанциях с целью использования этих частиц, например, в медицинских целях.
В институте есть Отделение геофизических исследований, руководит им академик Евгений Анатольевич Мареев. Там изучают, как природные явления и климат связаны с некоторыми электрофизическими характеристиками. Так, с помощью комплекса «Крот» физики моделируют ионосферу Земли. Есть установки, где получают и изучают искусственную молнию. В романе Даниила Гранина «Иду на грозу» учёные 60-х годов стремились понять природу молнии. Сейчас в нашем институте изучение этого явления сильно продвинулось, наши учёные близки к разработке теории молнии.
У нас есть также Центр гидроакустики, сотрудники которого имеют практические связи со многими производителями судов. Их работа крайне важна. Один из интереснейших экспериментов был проведён ещё в 1990-х годах в кооперации с американскими учёными. Акустическими излучателями был просвечен океан подо льдом, через Северный полюс в Америку и в Канаду. Была даже вычислена скорость изменения температуры Мирового океана. Излучатели для этого эксперимента предоставил наш институт. Сейчас значительная часть подобных исследований прикладная: рассчитываются и моделируются различные гидроакустические явления, разработаны собственные компьютерные программы.
— Какие ещё свои достижения в науке вы считаете важными?
— Первое, что принесло удовлетворение, — были решены задачи, которые не поддавались никому. Например, у нас разработан очень эффективный метод синтеза трёхмерных антенн. Если есть какое-то поле, то оно имеет не только частоту и мощность, но и структуру, некое распределение в пространстве амплитуды и фазы. И оказалось, что можно сделать трёхмерный метод синтеза, который с точностью до некоторых физических ограничений превращает одну структуру поля в любую другую. Разработан алгоритм, он признан в мире.
В частности, в гиротроне имеется ансамбль электронов, и он производит большую мощность, но в виде удивительной структуры в волноводе с круглым сечением, где много вариаций по азимуту и по радиусу, как в калейдоскопе. Очень красиво, но никому не нужно, все хотят простой волновой пучок. И вот оказывается, синтезированная антенна может преобразовать эту структуру в требуемую с очень маленькими потерями, около 2%. Совсем недавно мы осуществили захват осцилляций гиротрона внешним сигналом. Без него гиротрон работает, осциллирует на своей частоте. Но можно подать сигнал от вспомогательного источника, мы называем его драйвером, и гиротрон будет работать на его частоте. Даже относительно небольшой.
— Чем это привлекательно?
— Тот маленький сигнал можно сделать каким хотите. Мы, например, не так давно добились относительной стабильности частоты (отношения отклонения частоты генератора к самой частоте) драйвера порядка 10-12, одна триллионная. При этом фаза осцилляции сохранялась 1 секунду. За такое время сигнал со скоростью света проходит примерно расстояние от Земли до Луны. Оно 400 тысяч километров, а за одну секунду свет проходит 300 тысяч километров. И вот наше излучение с длиной волны 1 миллиметр сохраняет фазу — ни одного сбоя фазы до Луны! Таким драйвером можно захватить большой гиротрон, и он будет работать так же стабильно.
Последний интересный пример из этой области: мы сделали очень широкополосные усилители, которые имеют полосу 4 гигагерца и большую мощность. Можно, в принципе, передать 500 телевизионных каналов на Луну. И эти задачи мы решили первыми в мире.
— У вашего института есть филиалы. Чем они занимаются?
— В состав нашего большого института входят два филиала — это Институт физики микроструктур (ИФМ) и Институт проблем машиностроения. Скажу об ИФМ: это достаточно известный институт, он раньше был в составе нашего института, потом вышел из него, а потом снова вошёл. Одна из его тематик — рентгеновские зеркала. Фантастическая вещь!
Дело в том, что для рентгеновских лучей практически любое вещество — это плазма с показателем преломления, очень близким к 1, и из него невозможно сделать эффективные зеркала, работающие в рентгеновском диапазоне. Так вот, можно сделать периодическую структуру, где каждый слой будет немного отражать излучение с одинаковой фазой. В результате получим так называемое брэгговское зеркало, которое достигает удивительных коэффициентов отражения, до 70%. И в ИФМ научились делать эти совершенно уникальные вещи: создают ровную подложку с точностью до нескольких ангстрем и на неё укладывают монослои различных материалов толщиной в несколько нанометров. Кладут слой одного материала, кладут слой другого, и так периодически.
— Это обеспечивает какие-то астрофизические потребности?
— Да, но не только. Сейчас очень модное направление — рентгеновская литография. Самое современное оборудование выпускается голландской фирмой ASML. Они делают рентгеновские литографы, которые генерируют рентгеновское излучение, дальше с помощью брэгговских зеркал передают его, формируют, где-то фокусируют, где-то расфокусируют, пропускают через маску, которая фактически тоже является совокупностью таких зеркал. И в результате на полупроводниковой пластине рисуется узор с точностью до нанометров.
— Такой технологии в России нет?
— Пока нет. Но рентгеновские зеркала у нас точно есть! Хотя это только одна из составляющих. Нужен ещё источник рентгена, и мы сейчас думаем, как его сделать. Причём нужен источник излучения в узкой полосе частот, потому что эти зеркала отражают только в ней. Крайне важная проблема — позиционирование литографических устройств. Их нужно позиционировать с точностью до нанометров. ASML выпускает 10—20 литографов в год и поставляет их главным образом на Тайвань, где фирма ТSMC производит 70% всех микросхем мира. И сейчас делается попытка в России, в том числе в нашем центре, создать такую технологию. Мы будем к этому причастны, и это замечательно.
— Какие ещё есть проблемы у директора?
— Трудный вопрос… В некоторые годы была борьба за существование, сейчас фаза активного развития. Мы признаны в том, что касается мощной электроники. У нас есть очень хорошие программы. Финансово мы ожили, покупаем новое оборудование. Наш институт относительно молодой, средний возраст сотрудников — 45 лет, это хороший показатель для института возрастом также 45 лет. Идёт заселение нашего дома для молодых специалистов. Мы его строили очень долго, это строительство начинали ещё предыдущие директора института академики Александр Григорьевич Литвак (сейчас — научный руководитель института) и Александр Михайлович Сергеев.
Новые актуальные научные программы притягивают молодых специалистов. Каждый год в институт приходят десятки новых сотрудников. Так что жизнь продолжается.
СЛОВАРИК
DEMO (англ. DEMOnstration Power Plant) — проект электростанции на основе термоядерного синтеза, для демонстрации практического применения термоядерной энергетики, в отличие от ITER — научной экспериментальной установки, не использующей получаемую энергию. Постройка DEMO планируется после успешного ввода в строй ITER с учётом опыта его эксплуатации. DEMO станет переходным этапом к созданию коммерческих термоядерных реакторов с непрерывной генерацией энергии на уровне 2 ГВт. Ожидается, что DEMO будет на 15% больше ITER по размерам, а плотность плазмы будет выше на треть.
У большинства участников проекта ITER есть планы по созданию собственных реакторов класса DEMO и нет планов глобального международного сотрудничества, как это было с ITER. Наиболее известная и задокументированная конструкция реактора класса DEMO разработана в ЕС. Его строительство планируется начать ориентировочно в 2040 году, а эксплуатацию в 2050-х годах. В нашей стране разрабатывался проект «Демо-С».
Критерий Лоусона определяет минимальную частоту реакций синтеза в плазме, необходимую для устойчивого поддержания реакции. Позволяет также оценить, будет ли термоядерный синтез в данном реакторе иметь положительный баланс энергии.
Рентгеновская литография — разновидность фотолитографии (метода получения определённого рисунка на поверхности материала), использующая рентгеновское излучение. Применяется в технологии изготовления электронных микросхем. Пучок рентгеновских лучей пропускается через шаблон и засвечивает чувствительную плёнку, которую наносят на обрабатываемую поверхность.
