потенциал кафедры

ТОКАМАК – несекретные материалы

Недолго держателям акций электроэнергетических компаний осталось властвовать над батареями парового отопления всей страны. Не более чем через 10 лет, как считают университетские ученые, будет готова демонстрационная версия термоядерного реактора на основе ТОКАМАКа.

ТОКАМАК — не индейское слово, а электрофизическое устройство, основное назначение которого — сформировать плазму (то есть раскалить ионизированный газ до 100 миллионов градусов), добиться ее высокой плотности и заставить жить достаточно долго в строго заданном объеме.

Это позволит осуществить термоядерную реакцию синтеза ядер гелия из исходного сырья — изотопов водорода (дейтерия и трития). В ходе реакции должна выделиться энергия, которая существенно больше, чем энергия, затрачиваемая на формирование плазмы.

Пока современные ТОКАМАКи — не термоядерные реакторы, а исследовательские приборы, где загорается и некоторое время существует плазма. Идея их создания была выдвинута советскими учеными еще в 50-х годах. Тогда-то и вошло в международный обиход русское новообразованное слово ТОКАМАК — тороидальная магнитная камера с током.

Первые ТОКАМАКи были созданы в СССР под руководством академика Л.А.Арцимовича в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова.

Широко известны исключительно удачные отечественные конструкции ТОКАМАКов Т-3, Т-4 и Т-10, которые создавались при непосредственном участии НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова в Ленинграде. Долгое время СССР являлся мировым лидером в области изучения плазмы и конструирования ТОКАМАКов. В результате длительной работы к концу 80-х годов советские ученые создали проект Т-15, большая часть конструкций которого уже была произведена в металле. Но, в связи с известными событиями начала 90-х, финансирование проекта было заморожено.

Наиболее мощный современный ТОКАМАК JET (конструкция Европейского Сообщества) был создан в городе Абингдон недалеко от Оксфорда, в научном центре Culham lab. Его функционирование и совершенствование финансирует международная организация EURATOM. Огромный, высотой в десять метров ТОКАМАК JET вырабатывает плазму и сохраняет ей жизнь около одной секунды. Но и этот гигант — не термоядерный реактор, а всего лишь прибор для производства плазмы, позволяющий исследовать ее свойства.

Известны также и другие функционирующие мощные ТОКАМАКи: JT-60 (Япония), D-IIID и TFTR (США) и т.д.. Сравнительно недавно завершился этап сборки английского проекта MAST — одного из современных ТОКАМАКов, в разработке которого участвовали российские ученые.

Уже в конце 70-х годов началась работа над международным проектом ИНТОР, который включал создание демонстрационной версии термоядерного реактора на базе ТОКАМАКА. В 80-х годах ИНТОР превратился в проект ITER, в работе над которым принимали участие страны-участницы европейской организации EURATOM, американцы, японцы, Советский Союз. Демонстрационная версия термоядерного реактора — огромное сооружение высотой около 30 и диаметром 15 метров. Проект был завершен в 1998 году, но решение о производстве реактора принято не было. ITER оказался слишком громоздким и дорогим проектом, и ни одна страна не решилась предложить свою территорию в качестве полигона для его размещения.

С 1999 года проект ITER-FEAT с целым рядом изменений вновь заработал, но уже без участия Соединенных Штатов, которые прекратили финансирование этой темы. В проекте участвует много государств, включая Россию, каждое субсидирует свою домашнюю рабочую команду. Создание демонстрационной версии термоядерного реактора включает множество разработок, каждую из которых контролирует так называемая международная центральная команда. В частности, задачами управления плазмой занимаются специалисты Научно-исследовательского института вычислительной математики и процессов управления в тесном контакте с центральной командой в г. Нака (Япония).

Сотрудник факультета ПМ-ПУ и НИИ ВМ и ПУ профессор Евгений Игоревич Веремей рассказывает, что сейчас работа по решению вопросов управления плазмой в самом разгаре.

— Плазма, по сути дела, — говорит Евгений Игоревич, — это для нас просто объект управления, замкнутый виток с током. Причем свойства плазмы таковы, что она неустойчива, а для того чтобы добиться термоядерной реакции, необходимо удерживать плазму в положении равновесия, иначе она коснется стенок камеры, что может привести к катастрофическим последствиям. Известен выход — на плазменный шнур можно воздействовать магнитными полями, которые формируются управляющими электромагнитами. Специальная система диагностики фиксирует смещение плазмы, управляющее устройство (ЭВМ) по определенному закону подает команду в систему питания, которая выдает напряжения на электромагниты таким образом, чтобы пресечь возникшее смещение. Наша основная задача — выработать стабилизирующий закон управления для удержания плазмы в равновесии.

В 1994 году университетские ученые под руководством директора НИИ ВМ и ПУ профессора Д.А.Овсянникова совместно с группой специалистов из НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова во главе с заместителем директора по науке научно-технического центра “Синтез” В.А.Беляковым начали работу над задачами стабилизации плазмы в рамках проекта ITER. Несмотря на то что предмет исследований был новым, российской команде удалось создать решение, которое понравилось иностранным консультантам. В частности, россияне доказали, что некоторые элементы, входящие в состав системы управления ТОКАМАКа ITER, являются излишними. В 1997 году российскими исследованиями плазмы заинтересовались англичане. Ученые из СПбГУ ездили консультировать англичан по вопросам проектирования нового ТОКАМАКа MAST — провели расчеты, продемонстрировали эффективность предлагаемых решений. Этот ТОКАМАК заработал в мае текущего года, но без системы стабилизации он не вполне готов ко вводу в эксплуатацию.

Российское правительство занимается активным финансированием исследований плазмы и термоядерных реакторов в рамках этих проектов. Как ни странно, при общей традиционной бедности науки государство заинтересовано в международных исследованиях. Впрочем, по существующему положению, деньги, вложенные страной в проект ITER, в основном не выходят за ее пределы. Е.И.Веремей отмечает, что при условии уменьшения финансирования российские исследователи начнут отставать от европейских в силу большой конкуренции, которую, например, составляют итальянские ученые.

— Задачу по созданию ТОКАМАКа можно будет считать решенной, — говорит Е.И.Веремей, — если произведение плотности плазмы и времени ее жизни превысит определенный уровень (критерий Лоусона). Современные ТОКАМАКи близки к этому порогу, однако мне кажется, что пока и инженеры и физики, не без оснований, боятся его перейти. Сейчас все глубоко задумываются, чем все это закончится, потому что свойства плазмы в достаточной мере не изучены. Тем не менее повод для оптимизма есть. Социальная значимость относительно дешевого и безопасного способа производства энергии исключительно высока.

Елизавета Агамалян