научная статья по теме НА ПОРОГЕ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭРЫ Науковедение

Текст научной статьи на тему «НА ПОРОГЕ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭРЫ»

НА ПОРОГЕ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ЭРЫ

термоядерная система ТОНАМАН

Академик В.А. ГЛУХИХ директор Научно исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (НИИЭФА). кап штаты физико-математических на\т< А.Б. МИНЕЕВ, О.Г. ФИЛАТОВ, инженер В.П. МУСАТОВ, сотрудники того же института

В течение ближайшего десятилетия планируется ввести в эксплуатацию первый экспериментальный международный термоядерный реактор. Важный вклад в его создание вносят ученые и инженеры Санкт-Петербурга.

Человек, сам того не замечая, окружен со всех сторон плазмой — газом, нахо. мшимся в ионизированном состоянии. В природе это разряды молнии, в быту — освещение. в промышленности — устройства для сварки и обработки поверхностен. в технике и медицине ше-ры. Вещество Вселенной на 90 % состоит из плазмы. Происходящие в ней реакции синтеза - - основной IV -точник энергии звезд. Таким образом.

мы живем в мире плазмы. Однако очень ма го знаем о юм. как ее «приручить» для наших как глобальных, так и повес тневных нужд.

Почтовая марка, посвященная тохэмаку Т- 10, вышла в 1987 г.

Ни в одной стране мира не выпускались марки такой тематики.

В верхней части - схематическое изображение взаимодействия дейтерии и трития - основной реакции термоядерного синтеза. В нижней - токамак.

Соответствующий поиск ученые ведутс конца Второй мировой войны. Родилась новая наука — физика плазмы, развиты методы диагностики вещества, находящегося в экстремальном состоянии. 1лавная задача 'заключается втом, чтобы нагреть дей-териево-тритиевую плазму до температуры порядка 100 млн 'С и удерживать в таком состоянии в течение времени, достаточного для протекания в ней реакции синтеза с выделе-

Токамак Т-3 (1964 г.).

Токамак Т-10(1975 г.).

Токамак Т-15.

Накопитель энергии токамака ТСП.

нием большого количества энергии. Достижение этого результата будет означать решение проблемы управляемого термоядерного синтеза.

Работы проводятся по двум основным напраапениям: удержание плазмы с использованием сильных магнитных полей и инерциальное удержание с помощью последовательных микровзрывов мишеней, нагреваемых с помощью энергии, подводимой извне, — от лазеров паи пучков частиц. В данной статье внимание сосредоточено на системах магнитного удержания, точнее — на токамаках.

Научное руководство этим направлением, в том числе определение параметров установок, осуществляет находящийся в Москве Российский научный центр «Курчатовский институт» (ранее Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова — ИАЭ). Большой вклад в изучение поведения плазмы в системах с магнитным удержанием внес Физико-техничес кий институт им. А.Ф. Иоффе РАН (ФТИ). Генеральным конструктором практически всех крупных установок с магнитным удержанием плазмы является МИИ'ОФА, расположенный близ северной Пальмиры. Вокруг него сложилась кооперация ленинградских предприятий, работающих над реализацией идей физиков.

В 1958 г НИ И ЭФА ( тогда Особое конструкторское бюро) приступил к созданию установки «Альфа». Дня этого была сформирована группа под руководством В.А. Глухих. Отдельные узлы изготавливали несколько ленинградских заводов, затем монтировали в О К Ь. 11аиболее важными задачами, стоявшими тогда перед коллективом. были получение высокого вакуума, предотвращение пробоев изоляции, создание схем регулировки напряженности вихревого электрического поля, определение принципа изменения тока разряда во времени и снижение уровня рассеянных магнитных полей для улучшения устойчивости плазменного разряда.

Эксперименты на «Альфе», проведенные совместно с сотрудниками ФТИ. позволили получить данные о режимах и свойствах мощного электрического разряда в тороидальной камере в присутствии слабого стабилизирующего продольного магнитного поля. Были предложены многие способы диагностики плазмы, впослед-

ствии прочно вошедшие в арсенал техники измерении на всех установках мира.

Надо сказать, размеры «Альфы» дня своего времени были достаточно крупными, но величина продольного магнитного поля — невысокой. Более перспективным оказался подход, согласно которому для нагрева и удержания плазмы использовали протекавший по ней ток (создаваемый вихревым продольным электрическим полем), а для подавления основных неустойчивостей плазмы — сильное продольное магнитное поле, Эго направление развивалось в ИАЭ и получило название «токамак» (тороидальная камера с магнитными катушками).

В конце 50-х годов в ОКБ разработали и изготовили на ленинградском заводе «Электросила» токамак Т-3. В нем и опробовали немало технических решений, потом широко применявшихся при сооружении других установок. В дальнейшем осуществили модернизацию Т-3 (Т-ЗА, Т-4), значительно увеличив магнитное поле.

Важным результатом, полученным тогда советскими учеными и инженерами, явилось то, что высокотемпературная плазма удерживалась намного лучше, чем пессимистически прогнозировали зарубежные коллеги. Последующая проверка английскими физиками данных Т-ЗА с помощью привезенной ими аппаратуры подтвердила высокие параметры плазмы, что стало толчком к созданию установок типа токамаков в других стра( [ах.

! 1а основе этого можно было постепенно продвигаться к параметрам термоядерного реактора. Теория показывала: удержание плазмы должно существенно улучшиться, если увеличить размеры установки и величину магнитного поля. Однако при этом могли значительно возрасти потери на нагрев проводящих (медных) обмоток тороидальной системы. Поэтому в следующих поколениях отечественных токамаков их заменили сверхпроводящими.

В 1968— 1971 гп была создана и в середине 1975 г начала работать установка Т-10. В реализации этого сложного и смелого проекта участвовали десятки научно-исследовательских и конструкторских организаций. В их число входил и НИИ \)ФЛ, где рабо-

Сферический токамак«Глобус-М».

Международный гокамак ИТЭР.

тами руководил директор Е.Г. Комар, а после его смерти — назначенный директором В.А. Глухих. Ведущим инженером проекта был В.П. Муратов. Над сооружением Т-10 трудились коллективы многих предприятий Ленинграда: опытного завода института, объединений «Красный выборжец», «Электросила», «Севкабель», Ижор-ского 'завода и др.

Рабочий импульс горения плазмы в новом токамаке был существенно больше, чем у 'Т-3 и Т-4. Повышено качество тороидального магнитного поля. Эксперименты на этой установке продолжаются и сейчас, они служат источником новых важных данных, способствуя продвижению вперед в осуществлении термоядерной программы. Так, с использованием сверхвысокочастотных методов впервые в мире электроны плазмы удалось нагреть до термоядерных температур (90 млн. иС).

Следующий шаг — сооружение в 80-х годах двух крупнейших токама-ков, на которых предполагалось получить околореакторные параметры плазм ы. Н а первом, Т-14 (и л и Т( ТI -токамак с сильным полем), для резкого повышения температуры и плотности плазмы планировали применить принцип ее адиабатического сжатия нарастающим магнитным полем путем перемещения плазменного шнура в тороидальной камере по большому радиусу к центру установки, а также осуществить реакции синтеза дейтерия и трития, исследовать влияние поведения полученных продуктов на режим горения.

Перед главным конструктором "ГСП НИИЭФА- была поставлена задача спроектировать чрезвычайно напряженную конструкцию с мощной системой питания (еввпле 10 ГВт). О масштабе проблем, решенных коллективом института, можно судить по такому примеру Удалось создать тороидальную обмотку, в которой в ходе повторяющихся рабочих импульсов на наиболее напряженных участках бронза переходила из упругого состояния в пластическое без разрушения.

Вторая установка Т-15 — результат последовательного развития направления Т-3, Т-4 и Т-10 по наращиванию геометрических размеров и величины магнитного поля. Для уменьшения мощности электропитания было решено использовать явление сверхпроводимости при создании электрома гнитной системы.

Реализация такого масштабного проекта потребовала привлечения сил около 30 научных учреждений и предприятий. Из ленинградских в первую очередь отметим НИИЭФА (главный конструктор), его опытный завод (сверхпроводящие катушки обмотки тороидального поля), Ижор-ский (специальная сталь) и Адмиралтейский (тепловые экраны) заводы, объединения «Электросила» (катушки полоидальной матнитной системы и силовая структура), «Коминтерн» (система ионно-ииклотронного нагрева), «Буревестник» и др.

В конце 80-х годов на обеих установках начались эксперименты с плазмой. К этому времени ученые

США, Японии, государств — членов Европейского союза, а также России, занимавшиеся управляемым термоядерным синтезом, пришли к выводу, что целесообразнее и дешеале решать проблему вместе, максимально используя знания и опыт друг друга. Началась общат работа по проектированию международного термоядерного экспериментального реактора И ГЭС. При этом следует отметить: из 75 российских предприятий и организаций, вовлеченных в эгу программу, 10 — петербургские.

В настоящее время проектирование ИТЭР завершено, идет выбор площадки для строительства. Но продолжается поиск новых решений и подходов к осуществлению управляемого термоядерного синтеза. Так, в конце 90-х годов в городе на 1 (еве создана небольшая, но очень перспективная установка — сферический токамак «Глобус-М». Над ним трудились сотрудники ФТИ (научное руководство), НИИЭФА (электромагнитная система) и Северный завод (вакуумная камера). Дальнейшее продвижение в этом направлении может со временем дать компактные энергонапряженные установки, в которых достижение условий термоядерного горения сильно облегчается.

Иллюстрации предоставлены авторами

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком