Алан Бекуле
На Физтехе в сентябре прошла открытая лекция Алана Бекуле (Alain Becoulet), заместителя генерального директора международной организации ИТЭР по науке. Инициатором мероприятия выступила Russian ITER Domestic Agency — проектный центр ИТЭР («Росатом»), базовая организация кафедры плазменной энергетики Физтех-школы физики и исследований имени Ландау МФТИ. До прихода в ИТЭР Бекуле возглавлял Институт термоядерного синтеза с магнитным удержанием IRFM, был директором по исследованиям Французского комиссариата по альтернативной энергетике и атомной энергии (CEA) и представителем Франции в Европейском консорциуме по термоядерному синтезу EUROfusion. О чем говорил Бекуле на Физтехе, рассказывает Егор Бирюлин.
Исследования в области термоядерного синтеза и магнитного удержания плазмы начались еще в конце 1950-х годов, приблизительно в то же время появились первые токамаки. После нескольких десятилетий активных исследований, к 1990-м годам научное сообщество пришло к идее, что необходимо объединить усилия и создать одну общую установку, в которую будут заложены все накопленные технологии и инженерные решения. Так в результате соглашения между СССР и США родился проект ИТЭР, к которому в дальнейшем присоединились Китай, Япония, Корея, Индия, Евросоюз. В качестве площадки для строительства нового токамака выбрали ядерный центр Кадараш во Франции.
Цель проекта ИТЭР — демонстрация научной и технической возможности использовать синтез легких ядер как источник энергии. Для этого проект ИТЭР должен добиться следующих результатов:
- получить коэффициент умножения мощности Q = 10 на топливе дейтерий-тритий (500 МВт термоядерной мощности при затратах 50 МВт на нагрев);
- удерживать плазму > 400 секунд;
- «ядерное лицензирование» — отработать методы утилизации радиоактивных элементов конструкции;
- подтвердить концепцию «разведения» (breeding) трития в реакторе путем инжекции лития и последующей ядерной реакции ядер лития с нейтронами;
- получить достаточно данных для дальнейших исследований.
Дизайн токамака ИТЭР заточен под длительную работу и высокий энерговыход. Сейчас идет установка секций вакуумной камеры токамака. Некоторые комплексы уже на стадии пусконаладки.
Сроки получения первой плазмы, планы по достижению максимально возможной энергии магнитного поля и переход к D-T фазе опять сдвинулись — среди причин можно выделить проблемы с качеством и ядерным регулированием, а также эпидемию ковида. Теперь старт исследований запланирован на 2034 год.
Нужны люди
Однако «железо» — только часть проекта. По словам Бекуле, организации ИТЭР требуется подготовить около сотни специалистов: от экспертов в области магнитной гидродинамики и устойчивости плазмы в токамаке до специалистов по ядерной безопасности. Необходимо также создать техническую команду, которая будет обслуживать саму установку.
По этой причине международная организация ИТЭР создает программу подготовки специалистов — Operation Training Program. В программе подготовки кадров будет учтен весь накопленный в мире опыт работ с установками термоядерного синтеза. И поскольку пуск ITER планируется чуть меньше чем через 10 лет, уже сейчас пора готовить специалистов, которые будут управлять установкой такого масштаба.
Алан Бекуле, заместитель генерального директора международной организации ИТЭР по науке: «Получив сертификат, вы попадаете в центр управления ИТЭРом. Потому что — я сейчас назову цифру, но не для того чтобы вас напугать — капитальные вложения в ИТЭР это около 22–25 миллиардов евро. Это моя «Феррари». И ей нужны пилоты, а не водители, мы не просто покататься собрались. Мы не хотим впустую тратить время, мы не хотим погубить нашу машину, мы хотим быть эффективны. Мы хотим получить управляемый термоядерный синтез — как можно быстрее. У нас есть общая цель, разработка реакторов. Это очень важное дело».
И ИИ
Заключительную часть лекции профессор посвятил одной из задач проекта накоплению и структуризации данных. В ИТЭР будут одновременно работать много диагностик, которые будут использоваться для контроля режима работы токамака в реальном времени и для научных исследований. Собирать миллионы сигналов и анализировать их в реальном времени невероятно сложная задача из области «очень-очень больших данных».
К счастью, сейчас есть достаточно мощные компьютеры и инструменты для работы с такими массивами данных и, в частности, искусственный интеллект. Бекуле упоминает следующие области, в которых предполагается использование ИИ в качестве ассистента:
|
|
Уже сейчас для быстрого доступа к внутренним данным ИТЭР использует чат-бот Lucy. Lucy позволяет сотрудникам быстро ориентироваться в базе из полутора миллионов документов. Инструменты с ИИ также помогают и в сборке реактора — улучшают планирование таким образом, чтобы минимизировать затраты времени и максимизировать качество работы. ИИ-модели учитывают и оптимизируют цепочки поставки, анализируют результаты текущих работ, а также помогают в ядерном лицензировании.
Физические модели ИИ, обученные на простых модельных экспериментах, планируется применить для анализа данных, полученных на действующих токамаках и на более старых машинах. Ни один человек не сможет переварить весь массив накопленных данных так, как это может ИИ. Однако все не ограничивается экспериментальными данными, существует много математических моделей, описывающих магнитное удержание плазмы в токамаке. Для анализа и сопоставления расчетных данных также может быть использовано машинное обучение.
После лекции наступило время вопросов. Отвечал Бекуле очень подробно, так что ниже его реплики мы даем в кратком пересказе. С неповторимым оригиналом можно ознакомиться по этой ссылке.
Q & A
Одной из проблем ИТЭР в последние годы было образование трещин после сварки элементов вакуумной камеры реактора, что привело к сдвигу сроков. Как была решена эта проблема?
Мы создаем настоящего монстра с точки зрения размеров. Когда мы начали строить токамак, был момент, когда никто не мог изготовить секцию вакуумной камеры высотой около 11 м с необходимой точностью (порядка 1 мм). По всей площади стыка детали должны совпасть друг с другом с точностью, близкой к идеалу, чтобы мы могли сварить их друг с другом автоматически так, чтобы удовлетворить требованиям ядерного регулятора. При этом несколько секций уже прибыли на площадку.
После длительного обсуждения мы решили разработать метод, который позволяет аккуратно, миллиметр за миллиметром корректировать размер готовых секций, чтобы они идеально вставали на свои места. Это легко описать, но очень трудно реализовать, а еще сложнее получить разрешение регулятора, поскольку это будет первая установка, внутри которой будет много радиоактивного трития. Вакуумная камера — первый барьер, удерживающий тритий, а он может проникать практически в любой материал. Поэтому процесс восстановления должен быть сделан правильно. Процесс утверждения очень долгий, что объясняет большую часть последних задержек в проекте. Наверное, это даже быстрее сделать, чем утвердить официально.
Также ваш вопрос касается пайки трубок с охлаждающей жидкостью непосредственно к наружной поверхности вакуумной камеры. Камера снаружи покрыта километрами трубок, по которым течет гелий при температуре 80 К для охлаждения внешней поверхности вакуумной камеры. Мы проверили 30–40 км напаянных трубок и нашли три микроскопические трещины в паечном шве. Мы обратились в ЦЕРН для диагностики и в результате пришли к выводу, что это разрушение связано с возникновением напряжений. Далее эти трубки будут напаяны заново.
Если концепция реактора ИТЭР полностью проработана, нужны ли новые теоретические модели, например модели динамики плазмы? Или ИТЭР — установка больше для инженеров и экспериментаторов?
Прежде всего я сам занимаюсь фундаментальной физикой. Я могу сказать, что физика УТС и физика плазмы никогда не закончится. Мы находимся в самом начале пути исследования физики плазмы. Она уже невероятно сложная, если рассматривать всю Вселенную, и она тем более сложная в такой ограниченной среде, как у нас, где есть взаимодействие со стенкой камеры, с магнитным и электрическим полем.
Так что ваш вопрос очень интересный. ИТЭР строится для операторов или для ученых? Сегодня, де-факто, все, что связано с железом,— в процессе изготовления. Но прежде всего в отделе, который я возглавляю, есть научное подразделение. Задача научного отдела сегодня ответить на вопрос: сможем ли мы достичь запланированных результатов, если отклонимся от первоначального плана? Некоторые планируемые результаты глубоко связаны с физикой связанных с ними процессов. Например, одно из последних изменений — замена бериллия на вольфрам породило много вопросов, и многие вопросы все еще открыты.
В то же время научное подразделение создает план экспериментов на ИТЭР. ИТЭР будет буквально создавать новую физику. ИТЭР в 10 раз больше, чем любой другой токамак, который когда-либо создавался, так что мы попадем в абсолютно новую область. Как будет работать токамак и как будет вести себя плазма там, пока никто не может дать однозначный ответ.
Поэтому, конечно, мы должны изучить физику, взглянуть правде в глаза и скорректировать поведение машины (ИТЭР). Это работа не для операторов, а для ученых. Почему эта машина так работает? Почему, когда я веду автомобиль, если я убираю руки с руля, она поворачивает влево или вправо? Это значит, что вы должны понять, почему, а затем вы должны придумать способ избежать этого, жить с этим. Это физика.
Вы упомянули, что используете ИИ-обработку. Есть ли у вас специальная команда программистов, которые создают ИИ-модели? Или вы используете какие-то уже созданные модели, которые были созданы другими компаниями? Можно ли действительно доверять искусственному интеллекту?
Прежде всего — нет, у нас недостаточно IT-специалистов для выполнения такой масштабной задачи. Наш IT-персонал также выполняет IT-часть самого ITER. Сейчас мы набираем немного больше сотрудников, но в конце концов, я думаю, у меня будет пять человек, которые будут заниматься текущей работой.
Сегодня с нами работают очень крупная американская IT-компания и очень крупная японская компания, и при этом мы стремимся к большему. Эти компании существуют не для того, чтобы решать тривиальные проблемы. Мы работаем с ними в рамках соглашения о сотрудничестве без каких-либо денег. И мы определяем задачи, которые хороши для них, потому что это новые уникальные проблемы, и хороши для нас, потому что это то, что мы не можем сделать своими силами.
Также мы рассматриваем работу со студентами, которые обучены работе с ИИ. Пока что в институтах такие учебные программы встречаются не очень часто. Но если ваш институт имеет такую учебную программу, может, вы бы хотели принять участие в проекте. Я даю вам задачу, которую хочу решить, и вы ее решаете в команде с двумя преподавателями и пятью или шестью студентами, а потом используете ее в качестве учебного проекта. Это именно та модель, которая мне бы понравилась.
Говоря об ИИ, мы прежде всего должны понимать, что это инструмент, он не может полноценно заменить человека. Например, если мы обучим его чему-то не совсем правильному, то он будет систематически воспроизводить эту ошибку. Несмотря на это, ИИ — невероятно мощный инструмент.
Также задача по анализу данных физических экспериментов, довольно специфична. ИИ-модели, например любые современные генераторы изображений и видео, можно обучить и без физических уравнений. Однако с нашей задачей все не так просто. Если мы начнем обучать ИИ, не закладывая физику и уравнения, то в конце концов ИИ скажет нам, что гравитация существует, поскольку люди падают вниз, а мир нельзя пересечь. ИИ можно сравнить с трехлетним ребенком, который учится на примерах, не зная физических законов. Возвращаясь к базе данных термоядерных экспериментов, обучая модель, рассказывая ей, какие явления она наблюдает, мы в конце концов должны контролировать, чему она научилась.
Важно еще раз подчеркнуть, ИИ — не замена человеку, это инструмент, который может дополнить и упростить работу.
Каково будущее УТС, если ИТЭР не сможет добиться Q = 10 или хотя бы Q = 1? Ведь мы используем масштабирование, чтобы убедиться, что ИТЭР будет работать должным образом. ИТЭР будет существенно больше, чем самые большие построенные токамаки, почему мы уверены, что исследованные на них закономерности будут работать и на ИТЭР?
Вы совершенно правы. И это, кстати, причина, по которой мы создаем ИТЭР. Потому что, если бы наше предсказание было верным, не было бы необходимости создавать ИТЭР. Мы проверяем это, делаем прогноз, проводим эксперимент и проверяем.
Нельзя точно сказать, будет система работать, как запланировано, или не будет. Система будет работать как-то по-своему, и мы должны будем точно понять, почему. Даже если она будет работать именно так, как мы планировали, мы все равно будем должны понять, почему. Если ИТЭР с треском выйдет из строя, или мы не сможем извлечь плазму, или если наибольшее значение Q составит 3,5, то все, это конец термоядерному синтезу на Земле, по крайней мере конец данному методу.
Я надеюсь, что вместо Q = 10, у нас будет Q = 20 или около того. Это мой оптимистичный подход. В любом случае, каким бы ни был результат, нам придется все пересмотреть и принять окончательную точку зрения, чтобы двигаться дальше.
Какие материалы могут использоваться для облицовки вакуумной камеры термоядерных реакторов?
Совершенно очевидно, что бериллий, который предполагался к использованию в качестве материала первой стенки, не является экологически чистым материалом. Также на Земле его слишком мало, чтобы использовать его постоянно. Поэтому единственный материал, который мы можем использовать, это вольфрам. Да, использование вольфрама создает сразу две большие проблемы.
Во-первых, попадая в плазму в результате испарения, вольфрам существенно увеличивает потери на излучение. Это также влияет на режим горения разряда, поэтому мы сейчас занимаемся пересчетом рабочих точек и проверяем, насколько большим будет влияние примесей. Во-вторых, вольфрам не может играть роль геттера кислорода. Поэтому, если мы хотим, чтобы наша установка работала «чисто», мы должны понять, как нам удалить остаток кислорода и азота из камеры. Для этого, например, первую стенку покрывают бором так называемый процесс боронизации стенки.
В некотором смысле мы переносим риск с одного места на другое, но риск все равно остается. Исследование проводится следующим образом: вы определяете, в чем заключается риск, а затем снижаете его. Если вы не можете смягчить риск с текущим решением, вы меняете решение. Итак, мы в сложной ситуации, и это тоже один из примеров, который можно скорректировать.
Будет ли использоваться жидкий литий в качестве первой стенки?
Нет, не на данном этапе. В ИТЭР литий будет только в системе размножения трития. В этой системе используются специальные материалы, в состав которых входит литий. При бомбардировке этих материалов нейтронами в ходе ядерной реакции образуется тритий. Причем трития должно быть достаточно, чтобы поддерживать реакцию. Мы создаем такой топливный цикл. И ИТЭР будет заниматься оценкой скорости размножения трития при использовании этой технологии.
Вы говорите немного о другой задаче и ее решении. Мы делаем стенку жидкой, чтобы избежать ее плавления в результате теплового воздействия. При этом, если стенка литиевая, мы сразу решаем и задачу создания топливного цикла. При этом нас не волнует тепловая нагрузка на стенку: она по большей части уходит на испарение материала стенки. Некоторые считают, что такая технология в перспективе позволит создать более мощные и даже более компактные реакторы. Но нам нужно больше экспериментальных результатов.
В токамаках есть несколько каналов нагрева первой стенки: излучение, непосредственное взаимодействие плазмы со стенкой, заряженные частицы. Какой из этих механизмов передачи энергии преобладает во время стационарного режима работы и во время переходных процессов в плазме (ELM, срывы)?
В токамаках плазма излучает как гамма-кванты, так и нейтроны. Также режим удержания не совсем идеален, поэтому на стенку попадают и ионы. В результате стенка подвержена химической и физической эрозии. В то же время происходит повреждение конструкции установки нейтронами.
Переходные процессы, срывы, влекут за собой более серьезные последствия, поэтому их нужно избегать. Срыв это крупномасштабная МГД-нестабильность, которая очень быстро, за пару десятков миллисекунд или около того, разрушает магнитную конфигурацию. И внезапно вся плазма может свободно перемещаться, куда ей заблагорассудится. Тепловая нагрузка на стенку возрастает кратно, уменьшается ток плазмы, появляются колоссальные электромагнитные силы.
Также вы не упомянули пучки быстрых электронов. Когда ток плазмы ослабевает, магнитная система сама по себе пытается компенсировать это, создавая электрическое поле. Плотность уменьшается, и наступает момент, когда возникает поле, ускоряющее электроны. В результате возникают пучки электронов со скоростью, близкой к световой, которые в конечном итоге вгрызаются в стенку. Они буквально могут пробить в ней отверстие. Поэтому в ИТЭР мы не хотим сталкиваться со срывами тока.
