Автор: В. А. ГЛУХИХ, А. Б. МИНЕЕВ, О. Г. ФИЛАТОВ, В. П. МУРАТОВ

Академик В. А. ГЛУХИХ, директор Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (НИИЭФА), кандидаты физико-математических наук А. Б. МИНЕЕВ, О. Г. ФИЛАТОВ, инженер В. П. МУРАТОВ, 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, находящимся в ионизированном состоянии. В природе это разряды молнии, в быту - освещение, в промышленности-устройства для сварки и обработки поверхностей, в технике и медицине - лазеры. Вещество Вселенной на 90 % состоит из плазмы. Происходящие в ней реакции синтеза - основной источник энергии звезд. Таким образом, мы живем в мире плазмы. Однако очень мало знаем о том, как ее "приручить" для наших как глобальных, так и повседневных нужд.

Соответствующий поиск ученые ведут с конца Второй мировой войны. Родилась новая наука - физика плазмы, развиты методы диагностики вещества, находящегося в экстремальном состоянии. Главная задача заключается в том, чтобы нагреть дейтериево-тритиевую плазму до температуры порядка 100 млн. ^o С и удерживать в таком состоянии в течение времени, достаточного для протекания в ней реакции синтеза с выделе-

стр. 11

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

Работы проводятся по двум основным направлениям: удержание плазмы с использованием сильных магнитных полей и инерциалъное удержание с помощью последовательных микровзрывов мишеней, нагреваемых с помощью энергии, подводимой извне, - от лазеров или 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-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ). Генеральным конструктором практически всех крупных установок с магнитным удержанием плазмы является НИИЭФА, расположенный близ северной Пальмиры. Вокруг него сложилась кооперация ленинградских предприятий, работающих над реализацией идей физиков.

В 1958 е НИИЭФА (тогда Особое конструкторское бюро) приступил к созданию установки "Альфа". Для этого была сформирована группа под руководством В. А. Глухих. Отдельные узлы изготавливали несколько ленинградских заводов, затем монтировали в ОКБ. Наиболее 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, впоследствии прочно вошедшие в арсенал техники измерений на всех установках мира.

Надо сказать, размеры "Альфы" для 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. Это 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 странах.

На 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 гг была создана и в середине 1975 е начала работать установка Т- 10. В реализации этого сложного и смелого проекта участвовали десятки научно-исследовательских и конструкторских организаций. В их число входил и НИИЭФА, где рабо-

стр. 12

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", Ижорского 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. ^o С).

Следующий шаг - сооружение в 80-х годах двух крупнейших токамаков, на которых предполагалось получить околореакторные параметры плазмы. На первом, Т-14 (или ТСП - 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 ТСП - НИИЭФА - была поставлена задача спроектировать чрезвычайно напряженную конструкцию с мощной системой питания (свыше 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 электромагнитной 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), Ижорский (специальная сталь) и Адмиралтейский (тепловые экраны) заводы, объединения "Электросила" (катушки полоидальной магнитной системы и силовая структура), "Коминтерн" (система ионно-циклотронного 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 дешевле решать проблему вместе, максимально используя знания и опыт друг друга. Началась общая работа по проектированию международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. При этом следует отметить: из 75 российских предприятий и организаций, вовлеченных в эту 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 Неве 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.

Постоянный адрес данной публикации: