|
№ 22 (3713), 26 октября 2005 года
|
|
|
|
|
|
Наш токамак маленький, но «крутой»
Накануне международного форума ученых мы встретились с организаторами. Чтобы ответить на наши вопросы, профессор Дмитрий Александрович ОВСЯННИКОВ, директор НИИ вычислительной математики и процессов управления им. В.И.Зубова (и председатель оргкомитета совместного заседания), вначале углубился в историю токамаков вообще и сферических токамаков в частности.
Выход из энергетического кризиса
— Вы, конечно, знаете, что наша планета стоит на пороге энергетического кризиса? Сегодня больше 86% используемой энергии производится при сжигании полезных ископаемых — угля, нефти, газа и других. Это приводит к выбросу в атмосферу около 5,5 млрд тонн углерода в форме углекислого газа. И, как следствие, к парниковому эффекту — и к возможным резким изменениям климата на Земле в ближайшие десятилетия. Необходима радикальная перестройка нынешней энергетической системы. Вместо сжигания природного топлива нужны другие энергетические источники, экологически чистые. То есть гидростанции, ядерные и термоядерные станции. И один из эффективных путей решения энергетической проблемы — управляемый термоядерный синтез.
|
|
Участники совещания. |
|
Такие реакции широко распространены в природе — это источник энергии звезд. Ядерный синтез освоен человеком в земных условиях: это водородная бомба. Начиная с 1950-х годов в СССР были развернуты работы по термоядерной программе. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения, и работы, проводимые под руководством И.В.Курчатова, были рассекречены по инициативе Советского Союза. С тех пор они проводятся в рамках широкого международного сотрудничества.
— До токамаков мы пока не добрались?
— Мы уже рядышком. В начале 1950-х под руководством академика Л.А.Арцимовича выдающиеся российские ученые И.Н.Головин и Н.А.Явлинский разработали и реализовали концепцию термоядерной установки. Она состояла из вакуумной разрядной камеры в форме тора (или “бублика”) и внешней магнитной системы. Такая модель оказалась наиболее удачной и была принята во всем мире. Профессор И.Н.Головин предложил назвать ее токамаг (сокращение — от трех слов: “тороидальный”, “камера” и “магнит”). Но, согласно легенде, окончание “маг” резало слух вышестоящим инстанциям, атеистически настроенным. Поэтому заменили букву и стало: токамак. Таким это слово и вошло в международный научный лексикон.
В то время казалось, что цель близка. И что уже на первых экспериментальных установках, построенных в конце 50-х годов, будет получена термоядерная плазма. Но, увы...
Как управлять плазмой?
— А в чем была основная проблема?
—Для того, чтобы реакция синтеза дейтерия с тритием стала возможной, необходима очень высокая температура, во много раз выше, чем на поверхности Солнца, порядка 100 млн градусов! Только тогда частицы смогут приблизиться друг к другу достаточно близко, — объяснил Александр Дмитриевич ОВСЯННИКОВ, доцент факультета ПМ-ПУ (сын Д.А.Овсянникова). — Но раскаленная плазма — крайне неустойчивая система, и до сих пор проблема удержания ее окончательно не решена. Хотя принципиально давно ясно, что вдали от стенок камеры плазму может удержать магнитное поле. Но энергозатраты на создание и удержание плазмы превышают положительный эффект. Не случайно место строительства термоядерного реактора по проекту ITER было выбрано вблизи АЭС, чтобы было откуда брать энергию. Только в 1997 году на американской установке TFTR впервые в мире было получено равенство — столько же энергии, высвободившейся в результате термоядерной реакции, сколько ее было вложено в установку!
|
|
Возле токамака. Слева направо: Артур Малакияш, представитель МАГАТЭ, Д.А.Овсянников (СПбГУ), Паоло Микоцци (Италия). |
|
— Действительно, пока затраты энергии на установки термоядерного синтеза огромные, — продолжил профессор Д.А.Овсянников. — Достаточно сказать: чтобы включить мощный токамак Т-10 под Москвой, требуется электроэнергия Московского энергетического кольца! Этот токамак занимает отдельное здание. А наш университетский токамак — миниатюрный, он помещается на столе, питается от обычной розетки. А ток плазмы сравним с плазменным током токамака Т-10. Поэтому ученые всего мира проявляют интерес к нашему токамаку.
Ведь до сих пор большинство установок строили очень крупные. Еще в 1970-е годы было решено построить международный термоядерный реактор совместными усилиями нескольких стран (проект ITER). Был создан Международный совет по термоядерным исследованиям МАГАТЭ и начались разработки огромного токамака усилиями ученых Европы, СССР, США и Японии. В работе над инженерным проектом принимали участие более 200 научно-исследовательских и проектных организаций, промышленных предприятий и учебных заведений. Сотрудники нашего НИИ ВМ и ПУ провели разработку современных методов управления плазменными процессами в реакторе. И пока будут осуществлять этот международный проект в Кадараше (Франция), никакие другие большие токамаки, скорее всего, нигде строить не будут — ведь его стоимость больше 10 млрд долларов.
Наш токамак — самый “крутой”
— А маленькие? Вы сказали, что ваш мини-токамак по некоторым параметрам не уступает большим?
А.Д.: — Дело в том, что сейчас токамаки не производят энергию. Они используются как исследовательские установки по изучению управления плазмой. И многие цели можно достичь на малых токамаках — с гораздо большей эффективностью, чем на больших. Ведь стоимость “выстрела” у нас на порядки ниже, чем на больших токамаках. Основная проблема — в управлении плазмой. Поэтому, кстати, мы, математики, и занимаемся токамаками вместе с физиками. Для нас плазма — объект управления.
Д.А.: — В России всего четыре-пять работающих токамаков. Несколько лет назад мы начали модернизировать старый токамак, который когда-то принадлежал Физтеху. Нас поддержало руководство университета, выделив деньги из централизованного фонда, поддержал и МАГАТЭ. В лаборатории исследования динамических процессов в токамаках (заведующий — Геннадий Михайлович Воробьев) мы запустили токамак еще в 2000 году. Работаем вместе с кафедрой оптики НИИФ (заведующий — профессор Николай Александрович Тимофеев), они закупили скоростную камеру для исследований. А полная модернизация была произведена недавно: 21 июня этого года был запуск токамака. Его произвела ректор СПбГУ Л.А.Вербицкая.
|
|
Мартин Пенг (США), руководитель Международного наблюдательного совета по малым токамакам. |
|
А.Д.: — Наш токамак — один из самых “крутых” токамаков в мире. Вы понимаете, что если у тороидальной камеры, у “бублика” уменьшать внутреннее отверстие, и увеличивать вертикальные размеры, то он по форме будет приближаться к шару. Поэтому наш токамак и называется сферическим. “Крутые” токамаки требуют значительно меньших энергетических затрат, необходимых для формирования магнитных полей, удерживающих плазму. Создан Клуб малых токамаков под эгидой МАГАТЭ. Его члены и приглашены на наше совещание.
Мы хотим обсудить текущие проблемы, достижения, узнать об опыте других стран, поставить новые задачи исследований для международного сообщества. Кроме того, мы хотим показать свои результаты, полученные с помощью нашего токамака.
В Европе и Америке — дефицит квалифицированных кадров. Они просят нас принять их студентов, чтобы те могли поработать на нашем токамаке. Мы соглашаемся, если складываются какие-то совместные проекты с западными университетами, когда налаживается долгосрочное сотрудничество. Мы надеемся организовать под эгидой МАГАТЭ на базе УНЦ прикладной математики – процессов управления и УНЦ физики научную школу по проблемам управления и физики плазмы.
Новые возможности
для исследователей
— Почему к нам? Неужели у них нет ничего подобного?
А.Д.: — В начале ХХ века самолет братьев Райт не был первым. До них был самолет Можайского, были другие модели. Но они впервые смогли осуществить полностью управляемый полет... Гигантский токамак — очень дорогой, чтобы поставить на нем свой эксперимент, ученые там годами ждут очереди. Но это все равно что стрелять из пушки по воробьям... К тому же, физики на Западе, которые занимаются токамаками, традиционно мало уделяют внимания проблемам управления плазмой. А для нас управление — основная задача.
Для очень большого спектра исследований можно обойтись не гигантскими токамаками (где один час работы стоит десятки тысяч долларов!), а малыми. Точно так же, как есть суперкомпьютеры — и персоналки. Никто же не рвется на суперкомпьютер, чтобы решать свои каждодневные задачи...
Кроме того, большие токамаки работают в жестко фиксированном режиме, который меняют редко и неохотно. А наш мини-токамак гибко настраивается, режимы можно менять часто, по желанию исследователей. Можно даже провоцировать нештатные ситуации.
Д.А. — Университет, как это часто бывало и раньше, оказался на острие проблемы. Сейчас мы обсуждаем проект создания учебно-научного комплекса мини-токамаков в Петергофе. Хотим сделать новый токамак, с лучшими характеристиками. Ученые, аспиранты, студенты из разных стран могли бы работать у нас, проводить исследования — изучать природу явления, физику, технику, технологию, материалы и т.п. И плюс проводить обучение персонала — в том числе и для работы на больших токамаках. А затем можно начать мелкосерийный выпуск мини-токамаков, малых установок для физических лабораторий других университетов мира.
Тогда наконец-то будет возможность сравнить и перепроверить данные, полученные в какой-то одной лаборатории, с данными других исследователей, полученными на схожих установках. Унифицированная схема токамака это позволит. Доступность и открытость обмена данных раскрывают новые возможности для исследователей.
Вопросы задавал Евгений Голубев
|