Libmonster ID: UA-2292

Заглавие статьи ЦАРСКОГО ПУТИ В ТЕРМОЯДЕ НЕТ
Автор(ы) Вячеслав СТРЕЛКОВ
Источник Наука в России,  № 1, 2009, C. 42-47

Доктор физико-математических наук Вячеслав СТРЕЛКОВ, советник РНЦ "Курчатовский институт"

С наибольшей полнотой талант Льва Андреевича Арцимовича как ученого и организатора науки раскрылся в последние два десятилетия его жизни, когда он возглавлял чрезвычайно важные и столь же трудные в научном и техническом отношении исследования горячей плазмы, связанные с программой управляемого термоядерного синтеза (УТС). Во многом благодаря ему она заняла лидирующие позиции в мире, а созданные под его руководством токамаки стали прообразом будущих термоядерных реакторов.

стр. 42

Особенность физики плазмы как науки состоит в том, что объектом ее изучения является искусственная субстанция - горячая плазма, а целью - познание ее свойств. Температура вещества в несколько тысяч градусов, достигаемая стационарно в земных условиях или на поверхности Солнца, - ничто по сравнению с 10 млн. °С, необходимыми для получения интенсивных реакций синтеза. Такие параметры можно получать, используя взрывные нестационарные устройства или же стационарные установки с магнитным полем для термоизоляции горячей плазмы.

В Институте атомной энергии (ныне РНЦ "Курчатовский институт") в Отделе плазменных исследований, возглавляемом Арцимовичем, с 1950-х годов развивали оба направления: изучали импульсные или, как тогда их называли, "быстрые" процессы и медленные, основанные на концепции тороидального магнитного термоядерного реактора, предложенной в 1950 г. физиками-теоретиками Игорем Евгеньевичем Таммом и Андреем Дмитриевичем Сахаровым.

Эксперименты в ее обоснование шли в середине 1950-х годов на установке ТМП (тор с магнитным полем) в секторе Натана Ароновича Явлинского - выдающегося инженера-физика, стоявшего у истоков "токамачного" направления. Их суть заключалась в том, чтобы удержать плазму в спиральном тороидальном магнитном поле и нагревать, пропуская через нее электрический ток. Арцимович, почти полностью переключившийся тогда на термоядерные задачи, принимал в них живое участие. Сотрудники называли его не иначе, как "Лев". И это было не приметой времени (имена и фамилии "главных" по причине секретности упоминали тогда не часто), а скорее формой выражения почтения. Причем величали его так не только вчерашние выпускники вузов, но и начальники секторов и лабораторий. Кто-то шутил: Лев дремлет во главе отдела и бросается на добычу, если видит что-то интересное. Действительно, после обсуждения основных направлений он не вмешивался в текущую работу. Но когда в теории или эксперименте появлялся нетривиальный результат, тут же возникали дискуссии, вопросы, предложения.

Вспоминаю события конца 1957 - начала 1958 гг., когда британский научный журнал "Nature" опубликовал сообщение о сенсационных достижениях английских физиков, получивших высокие параметры горячей плазмы на тороидальной установке "Зета". Величины магнитного поля в ней и токе, текущем по плазменному шнуру, были, в отличие от идеи токамака, сравнимы между собой. Во время импульса с ростом тока должно было происходить сжатие плазмы, ее отрыв от стенок камеры и рост температуры. Сотрудники Курчатовского института обратили внимание, в частности, и на то, что давление плазмы, вычисленное по данным англичан, выше давления удерживающего ее магнитного поля. Михаил Александрович Леонтович, руководивший теоретическими работами по управляемому термоядерному синтезу, предложил Арцимовичу отправить в "Nature" сообщение по поводу этого несоответствия. Но тот не торопился: достоверных данных было слишком мало. Только через два года будет ясна ошибочность результатов "Зеты". Тем не менее информация об экспериментах на ней способствовала расширению фронта наших исследований горячей плазмы в тороидальных системах.

стр. 43

Академик Игорь Васильевич Курчатов*, первым в мире заявивший в 1956 г. в Харуэлле (Великобритания) о существовании проблемы УТС, считал: она близка к решению, вопрос только в том, кто быстрее (мы или они?) построит первый термоядерный реактор. По его инициативе в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (Ленинград) рекордными темпами сооружали установку "Альфа" - копию упомянутой "Зеты". Через восемь месяцев на ней уже шли эксперименты с участием сотрудников Политехнического и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, понявших причину ошибок англичан в измерениях ионной температуры. Но это был не самый важный результат. Главное, в Ленинграде возник второй центр плазменных исследований.

Параллельно в Курчатовском институте шли работы на установке Т-1, с легкой руки талантливого экспериментатора, доктора физико-математических наук Игоря Николаевича Головина названной токамаком (тор-магнит-камера). На ней и последующей серии малых и крупных установок (ТМ-1, ТМ-2, Т-1, Т-2, Т-3) в отделе Арцимовича во главе с Явлинским изучили условия зажигания безэлектродных разрядов, экспериментально подтвердили теоретический вывод о том, что для макроскопической устойчивости плазмы требуется выполнение определенных соотношений между величиной тока, тороидального магнитного поля и геометрическими размерами установки. Тогда же были проведены измерения


* См.: Е. Велихов. Его мечта - создать солнце на Земле. - Наука в России, 2003, N 1 (прим. ред.).

стр. 44

мощности жесткого и мягкого рентгеновского и ультрафиолетового излучения из плазмы - именно оно, как выяснилось, а не теплопроводность или плохое удержание горячих частиц является основным каналом потерь тепла (выноса энергии).

К несчастью, Явлинский трагически погиб в 1962 г. в авиационной катастрофе. Молодой коллектив - около 40 сотрудников, старшему из которых не было и 40, остался без руководителя. И Арцимович, начальник отдела Института атомной энергии, к тому же академик-секретарь Отделения общей физики и астрономии АН СССР, заведующий кафедрой МГУ им. М. В. Ломоносова, после некоторых колебаний возглавил этот сектор. Причем руководил не формально, а с интересом, вникая во все детали.

Глубина физического мышления Льва Андреевича отражалась на работе всех сотрудников. Поражало его умение выделить из разрозненных фактов четкую картину явления, соответствующую общим законам природы. Например, исследователи уже понимали причину странной "двугорбой" формы осциллограммы тока в установке Т-2. Однако окончательную ясность в этом вопросе внесла статья Арцимовича и Карташева, стимулировавшая дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных исследований равновесия плазмы в тороидальных системах.

Кстати, Лев Андреевич не пропускал еженедельных семинаров по токамакам, оживленно дискутируя на них. Обсуждения продолжались в его кабинете, причем без учета чинов и званий присутствующих. Казалось, многочисленные обязанности не ос-

стр. 45

тавляли ему времени для анализа частных экспериментов (ведь из Института он постоянно уезжал в Академию наук или министерство), однако на следующий день приходил с продуманными предложениями, вопросами или возражениями по обсуждавшейся теме.

И вот основной итог первого десятилетия: термоизоляция плазмы в токамаке не ухудшается с ростом ее температуры. Это обстоятельство наряду с достижениями теоретиков открывало перспективу создания термоядерного реактора. Между тем эксперименты на стеллараторах* в США говорили об обратном. Впервые о расхождении с американскими данными Арцимович и его коллеги заявили в 1967 г. - в статье, опубликованной в отечественном журнале "Атомная энергия". Однако научный мир признал этот факт значительно позднее, когда в "Nature" появилось сообщение по итогам советско-английского эксперимента, проведенного в 1969 г. в Курчатовском институте**. Примененный тогда для измерения температуры электронов новый метод лазерного рассеяния подтвердил наши выводы.

Вот что писала по этому поводу в октябре 1969 г. англоязычная газета "International Herald Tribune", выходящая в Европе: "Английские ученые, которые привезли в Москву пять тонн оборудования для проверки советского заявления, встреченного со скептицизмом на Западе, обнаружили, что русские даже недооценили своего успеха...". Здесь следует заметить: мы, конечно, оценили, но называли нижнее значение температуры электронов из возможных в пределах ошибок. Метод лазерного рассеяния давал более точные цифры, и они, естественно, оказались выше. "Эти результаты, - продолжала газета, - вдохнули новую жизнь в усилия по созданию термоядерного реактора".

Итак, первый в истории УТС международный эксперимент определил токамак как основное направление дальнейшего поиска по магнитному удержанию плазмы во всем мире. Подчеркну: Лев Андреевич всегда придавал большое значение обмену информацией. Еще в 1958 г. в докладе на 2-й Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии он отмечал: ее значение - в широком международном обсуждении работ по управляемому термоядерному синтезу.

Далее встал вопрос о нагреве ионной компоненты. Сопоставляя неоклассическую теорию теплопроводности, развитую российскими физиками-теоретиками Роальдом Зиннуровичем Сагдеевым и Альбертом Абубакировичем Галеевым в 1967 - 1968 гг., с результатами опытов, Арцимович сделал вывод о классическом механизме нагрева ионов в токамаке и вывел свою формулу для их предельной температуры при омическом нагреве, подтвердив ее экспериментально***. Нельзя не отметить: вначале он довольно скептически относился к измерениям потоков нейтронов на дейтерии (видимо, нашумевшая история 1952 г. с их обнаружением в прямых электрических разрядах обошлась ему слишком дорого). Лишь после серии контрольных опытов и тщательного анализа сделал окончательный вывод об их термоядерном характере. Таким образом, в 1969 г. на Т-3А впервые зарегистрировали устойчивое термоядерное излучение плазменного витка.

С публикацией этой работы в популярном российском издании "Письма в ЖЭТФ" ("Журнал экспериментальной и теоретической физики") связана история, иллюстрирующая известное выражение: "Ничто человеческое нам не чуждо". В приватных разговорах Лев Андреевич неоднократно упрекал руководителей лабораторий и групп зато, что они подписывают все работы своих сотрудников. "Я никогда не подписываю чужих работ, а авторы у нас расположены в алфавитном порядке", - говорил он. И это правда. Но в данном случае с "алфавитным порядком" возникли определенные трудности: в число соавторов входил Анатолий Анашин (разработка детектора нейтронов и проведение измерений на Т-3А были частью его дипломной работы на вечернем отделении Московского инженерно-физического института). В первом варианте рукописи его фамилия стояла впереди Арцимовича. Это обстоятельство явно смущало Льва Андреевича. После обсуждения в его отсутствие мы решили не проявлять принципиальность, и статья была опубликована с отступлением от алфавита.


* Стелларатор - ловушка с замкнутыми магнитными поверхностями. Но, в отличие от токамака, образующее их полоидальное магнитное поле создается током во внешних витках. Идею такой установки выдвинул в 1951 г. американский физик Лайман Спитцер. Первый стелларатор появился в Принстонской лаборатории физики плазмы, США (прим. ред.).

** См.: Е. Велихов. Термоядерное горение. - В этом номере журнала (прим. ред.)

*** См.: М. Петров. О таланте судят по трудам. - В этом номере журнала (прим. ред.).

стр. 46

Эволюционный путь развития программы УТС заключается в том, чтобы на основе накопленных знаний создавались новые установки для получения горячей плазмы с более высокими показателями. Мощность термоядерной реакции в Т-3А составляла несколько десятков мкВт. Затем каждые семь лет, по мере пуска новых установок, она увеличивалась в тысячу раз. Так, 30 октября 1997 г. в одном из экспериментов с дейтерий-тритиевой смесью на Объединенном европейском токамаке JET (Англия) удалось достичь мощности энерговыделения в 16 тыс. кВт. Даже с учетом КПД теплового цикла ее достаточно для питания современного электровоза. Прогресс стал возможен в первую очередь благодаря достижениям науки, увеличению размеров машин, использованию дополнительного нагрева плазмы и получению более высоких режимов ее удержания в токамаке.

И к началу 1970-х годов у нас накопилось достаточно данных, чтобы сделать следующий шаг - построить установку Т-10, которую Лев Андреевич характеризовал как "предельную" с омическим нагревом. Фактически параметры плазмы определяются объемом и величиной магнитного поля, необходимого для ее удержания. А они, в свою очередь, зависят от мощности источника питания. Возможность потребления 180 МВт в течение нескольких секунд и определили размеры новой машины: большой радиус тора - 1,5 м, малый - 0,4 м, величина магнитного поля - до 5 Тл на оси плазменного шнура. Запущенная в 1975 г., уже после смерти Льва Арцимовича, она блестяще подтвердила проектные параметры. Температура ионов на Т-10 достигала 0,65 кэВ, а время удержания энергии в плазме к концу 1970-х годов составляло около 0,1с - показатель, рекордный для установок такого класса и в настоящее время. Использование дополнительного СВЧ-нагрева после модернизации техники позволило поднять температуру электронов до термоядерной - 10 млн. °С.

В токамаке следующего поколения - Т-15 (1988 г.) объем плазмы по сравнению с Т-10 увеличился почти в 10 раз. Для его создания пригодился опыт в области технической сверхпроводимости, наработанный в Курчатовском институте, и инновации созданного здесь же первого в мире токамака со сверхпроводящими обмотками (Т-7) на основе ниобий-титанового сплава. И хотя наладочные работы на Т-15 совпали с началом "реформ" в стране, нам удалось провести около сотни рабочих импульсов в омическом режиме при токе плазмы в 0,4 - 1,0 мА. Однако с 1992 г. эксперименты на нем приостановлены из-за отсутствия средств. К слову, основные направления исследований на этой установке, как и на Т-10, определил в свое время Арцимович.

Лев Андреевич одним из первых правильно оценил реальную сложность нового фундаментального направления. Цитируя известные слова древнегреческого математика Евклида о том, что царского пути в геометрии нет, писал: "Нет царского пути и в термоядерной проблеме". Однако, говоря о перспективах, не сомневался, что "в конечном счете она будет решена... Неизвестно лишь, насколько затянется этот процесс". А к концу жизни ответил более определенно: "Термоядерная энергия будет получена тогда, когда она станет необходимой человечеству".

Работы в области УТС идут уже более 50 лет. Итогом стало заключение в 2006 г. соглашения о строительстве усилиями международного сообщества экспериментального термоядерного реактора ИТЭР* в Кадараше (Франция), рассчитанного на получение и исследование действительно термоядерной дейтерий-тритиевой плазмы. Пожалуй, никто из специалистов не сомневается: в случае успешного решения этой грандиозной научной и инженерно-технической задачи заявленные параметры будут достигнуты. Выходит, что этап, "когда формируются научные основы термоядерной техники будущего", о котором Арцимович говорил в 1961 г., близок к завершению. Его роль и влияние на прогресс в данной области, по единодушному признанию всего международного научного сообщества, были определяющими.


* См.: В. Глухих. На пороге термоядерной эры. - Наука в России, 2003, N 3; Л. Голубчиков. Токамак - интернациональный проект. - Наука в России, 2004, N 1 (прим. ред.).


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ЦАРСКОГО-ПУТИ-В-ТЕРМОЯДЕ-НЕТ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Валентин ПротопоповContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/CashBack

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

ЦАРСКОГО ПУТИ В ТЕРМОЯДЕ НЕТ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 20.07.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ЦАРСКОГО-ПУТИ-В-ТЕРМОЯДЕ-НЕТ (date of access: 28.11.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
1210 views rating
20.07.2014 (2688 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
4 days ago · From Україна Онлайн
Аварии на топливе Westinghouse случались и ранее, начиная с 1979 года, когда произошла крупнейшая в истории США авария на АЭС Три-Майл-Айленд, в результате которой зафиксировано расплавление 50% активной зоны реактора. Далее Westinghouse делала попытки торговать с Чехией, однако опасные эксперименты по замене оригинального топлива окончились досрочной его выгрузкой из 1-го энергоблока АЭС Темелин в январе 2007 года, по причине его сильной деформации. Вышедшие из строя вэстингхаусовские тепловыводящие сборки на 3-м энергоблоке Южно-Украинской АЭС были в экстренном порядке заменены на стандартные ТВЭЛовские.
Catalog: Экология 
5 days ago · From Naina Kravetz
HISTORY OF ROADS AND GROUND TRANSPORT ACCORDING TO ARCHEOLOGICAL DATA
Catalog: История 
7 days ago · From Україна Онлайн
BASIC UNIT FOR THE AMERICAN ACCELERATOR
8 days ago · From Україна Онлайн
TRANSITION TO CONTROLLED EVOLUTION OF THE BIOSPHERE
Catalog: Биология 
8 days ago · From Україна Онлайн
DEVONIAN PALEOSOILS OF THE ANDOMA MOUNTAIN
8 days ago · From Україна Онлайн
Безопасно ли брать кредит в Интернете?
Catalog: Экономика 
9 days ago · From Україна Онлайн
Знакомьтесь! Google: Платформа для маркетинга
9 days ago · From Україна Онлайн
Как узнать актуальный курс валют на сегодня?
Catalog: Экономика 
9 days ago · From Україна Онлайн
EUROPEAN NORTH: HISTORY OF EXPLORATION IN DOCUMENTS
Catalog: География 
10 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
ЦАРСКОГО ПУТИ В ТЕРМОЯДЕ НЕТ
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones