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.