Санкт-Петербургский университет
  1   2   3   4   5  6 - 7  8
  9  10 - 11  С/В  12 - 13
 14-15  16-17  18  19  20
 С/В  21  22  23  24 - 25
 С/В  26 - 27  28 - 29
ПОИСК
На сайте
В Яndex
Напишем письмо? Главная страница
Rambler's Top100 Индекс Цитирования Яndex
№ 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.

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).

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.

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

© Журнал «Санкт-Петербургский университет», 1995-2005 Дизайн и сопровождение: Сергей Ушаков