6 сентября 2006 года прошла встреча 4-курсников с сотрудниками кафедры физики и химии плазмы, во главе с зав. кафедрой академиком РАН, профессором Смирновым В.П. Ниже приводится его беседа со студентами.
"Я вам должен рассказать немного об истории кафедры, потом расскажу о современном положении проблем, которыми занимаются на кафедре, а именно про термоядерный синтез, химию плазмы и плазменные технологии. Но для начала нужно представить наших сотрудников. За неполные пятьдесят лет существования кафедры произошла полная смена сотрудников кафедры, и поэтому сейчас она полностью укомплектована бывшими ее выпускниками. Первый выпускник кафедры - это Валентин Федорович Муравьев, сделавший огромную работу по части науки и организации становления кафедры. Далее следует представить зам. зав. кафедры Сергея Леонидовича Недосеева. Александр Сергеевич Кингсеп - очень известный физик, раньше работал на кафедре общей физики, написал замечательный учебник по физике; Константин Владимирович Чукбар - заметный на всем курчатовском теоретическом небосклоне физик-теоретик, имеющий фундаментальные работы в области физики, заместитель председателя экспертного совета ВАКО по физике; Игорь Борисович Семенов - тоже выпускник нашей кафедры, будет читать вам лекции; Борис Васильевич Потапкин - физик-теоретик, ушедший в область химии плазмы и плазменных технологий; а также у нас появится новый сотрудник, не выпускник кафедры Владимир Дмитриевич Пустовитов, который будет читать курс лекций по теории токамаков.
Несколько слов о кафедре. Она была создана в 1958 году Франк-Каменецким Давидом Альбертовичем. Он работал в Арзамасе, сделал очень большой вклад в создание термоядерного оружия. Потом он переехал в Москву, стал работать в институте атомной энергии и на Физтехе. Вначале деятельность кафедры была направлена только на управляемый термоядерный синтез. В конце 60х - начале 70х гг. на кафедре появилось отделение, называющееся химия плазмы, которую ввел Русанов В.Д. На смену Франк-Каменецкому на должность зав.кафедрой назначили Кадомцева Бориса Борисовича - выдающегося советского ученого-теоретика, возглавлявшего институт ядерного синтеза и сделавшего исключительно большой вклад в развитие токамаков и физики плазмы. После него зав. кафедрой стал академик РАН Русанов В.Д. И вот теперь, второй год зав. кафедрой являюсь я.
Теперь расскажу немного о двух базовых институтах, которые принимают и адаптируют студентов Физтеха: институт ядерного синтеза и институт водородной энергетики и плазменных технологий. РНЦ "Курчатовский институт" - это новое название бывшего института атомной энергии, подразделения которого называются институтами или научно-техническими центрами. Институтами у нас называются 7 организаций, два из которых наиболее крупные - институты ядерных реакторов и ядерного синтеза.
Президентом Курчатовского института на данный момент является Велихов - руководитель термоядерной программы РФ. Тематика Курчатовского института очень широка. Сейчас одна из основных проблем института - это атомная энергетика. Всем хорошо известно, что атомная энергетика сейчас переживает ренессанс, даже не столько у нас, сколько по всему миру, поскольку это является наиболее прямым и экологически приемлемым путем к энергетическому обеспечению человечества. РНЦ продолжает вести активную деятельность в этом направлении. Второе большое направление - ядерная физика. В институте ядерной физики РНЦ сосредоточены монументальные работы по ядру. Существует также институт физики твердого тела и сверхпроводимости, в его стенах проводятся много фундаментальных работ, в том числе и прикладных. Другим направлением занимается институт молекулярной физики. В свое время этот институт обеспечивал потребности Советского Союза в разделении изотопов для оружейных материалов в термоядерных зарядах. Он также занимается рядом других фундаментальных проблем, которые прежде всего относятся к физике твердого тела. В Курчатовском институте есть ряд подразделений, занимающихся синхротронным и нейтронным источниками и проблемами нанотехнологий. В качестве примера, следует сказать, что совсем недавно, анализируя пленки, сотрудники синхротронного центра обнаружили, что на стенках термоядерной установки ТОКАМАК, формируется совершенно новое вещество, состоящее из углерода и дейтерия, с большим весовым содержанием последнего. Так что, если говорить о водородной энергетике, это вещество могло бы стать носителем водорода. В связи с этим также появляется проблема, как его содержать, в чем хранить. Еще в нашем институте существует подразделение, занятое разработкой и производством новых вычислительных систем на основе производимых здесь больших интегральных схем микропроцессоров. Несмотря на тяжелое экономическое положение в это дело было вложено несколько десятков миллионов долларов и сегодня Курчатовский институт закрывает определенную часть потребности страны в производстве таких схем, а также развивает эту технологию. Также наш РНЦ занимает активную позицию и в области информационных технологий, в частности он является основателем систем GRID-технологий, используемые и в физике высоких энергий и термояда. Сложно перечислить все направления, которыми занимаются в Курчатовском институте. Вы сможете подробнее узнать об этом в процессе работы.
Если говорить об основном направлении - термояде - то следует упомянуть, что термоядерные исследования находятся сейчас в критической точке, за которой должна открыться возможность практического использования термоядерного синтеза для производства энергии. Работы по термоядерному синтезу были начаты с 51го - 52го года. Было пройдено ряд этапов, по окончании которых были разработаны ядерные установки ТОКАМАК, которые, как оказалось, по своим характеристикам и результатам, полученных на них, превосходили все другие ядерные установки всего мира. Причем вначале мировое сообщество не верило в правильность диагностики ядерного синтеза на ТОКАМАКах, но после проверки правильности полученных результатов группой английских ученых, весь мир стал строить ТОКАМАКи. В 70х годах было решено, что первый международный термоядерный реактор должен быть следствием развития физики и техники ТОКАМАКов, он получил название ИТЭР. Работы были начаты с 89го года четырьмя участниками - объединенная Европа, Япония, США и СССР, и закончились в 2001 году. Это проект первого реактора, который должен обеспечить тепловую мощность в 500 мегаватт, должен был показать реальность крупномасштабного производства энергии на установках типа ТОКАМАК. В ходе работы в проект приняли Китай, Южную Корею, Индию. Можно сказать, что больше половины человечества сейчас строят ТОКАМАКи. В следующем году начнется строительство нового термоядерного реактора. Российское участие в этом проекте составляет 600 млн. долларов на восемь лет плюс несколько сот квалифицированных специалистов в этой области. Параллельно с этим решается вопрос о создании национальной программы освоения термоядерной энергетики у нас в России. Может создаться впечатление, что все вопросы, связанные с ТОКАМАКом решены. На самом деле это не так. У нас очень большие проблемы по физике ТОКАМАКов, по взаимодействию "плазма-стенка", по выбору материалов и так далее. То есть, хоть и строится реактор, но физика продолжает развиваться. Есть несколько типов реакторов, нельзя сказать, что ТОКАМАК - это лучший из них, просто это исторически сформировавшийся выбор. Но должны продолжаться и другие работы. Для примера, мы сейчас испытываем очень большое давление со стороны космического комплекса. Он может поставлять гелий-3 с Луны на Землю. Тогда можно организовать реактор на основе смеси D-гелий-3, который отличается от реактора, действующего на дейтерии-тритии, тем, что у него существенно меньше нейтронов, а значит более экологически приемлем. Также есть надежда об осуществлении прямой реакции из продуктов реакции в электричество, минуя тепловой цикл. Есть работа про плазменную ловушку, реализующую безнейтронную реакцию протон - бор. С точки зрения ученых, несмотря на малое сечение реакции, можно было бы пытаться ее реализовать, если удастся удержать температуру электронов существенно более низкую, чем температура ионов. Другое направление в термояде - инерционное удержание, организация малых термоядерных взрывов с последующим его применением в производстве энергии. Для этого нужно сделать маленькую ядерную бомбу, которую можно было бы подрывать внешними источниками и управлять дальнейшим ходом реакции. У нас сделаны пионерские работы по созданию такого внешнего устройства, называемые Z-pinch, но также известно про американские и французские разработки огромных лазеров, предназначенные для поджигов термоядерных мишеней.
Если говорить о плазме, то возникают вопросы по ее удержанию, нагреву, поведению высокотемпературного вещества достаточно большой плотности, по возможности реализации химических реакций. В связи с этим существует целое направление - плазменные технологии, а также химия плазмы. Сейчас много говорят о нерентабельности затрат на термояд, но если посчитать тот вклад в научные достижения, который мы внесли благодаря его изучению и развитию технологий, то можно смело утверждать, что все затраты компенсируются. Существует направление связанное с модификацией материалов, под действием тех энергетических потоков, которые идут из плазмы и потоков частиц, излучений. Оказывается у некоторых материалов повышается коррозионная стойкость и другие свойства. Для примера скажу, что институт ядерного синтеза поставил оборудование на уфимский моторо-строительный завод по производству авиационных моторов, в том числе и военной техники, для обработки лопаток газо-турбинных двигателей. Обработка идет под действием ионов, которые ускоряются и бомбардируют это вещество. В результате наши истребители и гражданские самолеты стали летать гораздо дольше и дальше. Сейчас мы работаем в области наноструктуированных покрытий. Ближайшее время должна рассматриваться программа на 2,5 млрд. рублей с ЭВТАНом и авиационной промышленностью по обработке инструментов, модификации лопаток двигателей, созданию радиопоглощающих покрытий. Подводя итог вышесказанному, изучение термояда дает очень большие практические плоды в других областях науки и промышленности.
Сейчас государство достаточно хорошо спонсирует науку, особенно если дело касается военных разработок, и хотя наши сотрудники не достигли того уровня благосостояния, как в США или Европе, но обеспечить себе достойное существование можно. Далее стоит вопрос о качестве отдыха и наслаждения жизнью, а для человека, занимающегося наукой, наслаждение - это творчество, поэтому надеюсь вы войдете в наши ряды, несмотря на денежный аспект работы в курчатовском институте.
И последнее. Занимаясь наукой в тех областях, о которых я сейчас говорил, мы имеем колоссальное международное сотрудничество и очень интенсивный обмен. Наши сотрудники часто ездят на международные конференции и работают на иностранных установках. Единственный минус то, что в проектах, имеющих коммерческое значение, обмен тонкими деталями работы почти не происходит".
Далее слово предоставляется Борису Васильевичу Потапкину: "Давно, лет тридцать тому назад, когда я был как вы, в РНЦ образовался институт водородной энергетики и плазменных технологий. У него было две основные цели. Первая связана с практическим использованием низкотемпературной неравновесной плазмы. Как вы знаете, в ТОКАМАКах основной задачей является нагреть до чрезвычайно высокой температуры и удержать неравновесную плазму. Есть плазма, в которой нейтральные компоненты которой в принципе и не нагреты, и в этой плазме тем не менее электроны, имеющие большую энергию, могут стимулировать различные процессы. В нашем институте как раз изучают такие процессы: какие являются безразрядными, какие физические и химические процессы протекают в такой плазме, как она реагирует со стенками, практическое использование такой плазмы в частности для осуществления "умных" химических реакций, то есть когда процессы идут селективно, не все подряд, а только те, которые нужны для эксперимента. Второе направление тесно связано с тематикой курчатовского института в целом. Вы знаете, что атомные реакторы были созданы для получения электроэнергии, а люди потребляют энергию не только в форме электричества. Поэтому нужен был какой-то промежуточный агент, который можно было получать с помощью электричества и который в свою очередь мог быть потом использован для получения энергии, и таким промежуточным агентом стал водород. Эта концепция появилась только в стенах нашего центра и продолжает развиваться и сейчас. В частности мы занимаемся плазменными методами получения водорода. Сейчас можно выделить в области низкотемпературной плазмохимии несколько направлений. Во-первых, это процессы плазменного катализа при получении водорода. Нами был найден такой эффект - активная частица, получаемая в плазме, инициирует цепные процессы получения водорода, регенирирует сотни и тысячи раз в ходе реакции, таким образом, вопрос о дороговизне получения такой частицы снимается. Возникает задача найти такие условия, когда энергия вкладывается в генерацию частицы определенного типа, а потом найти условия, когда эта частица используется много раз. Последним достижением является создание плазменного реформера, презентация которой прошла осенью прошлого года перед президентом начальством "Норильского Никеля", который и оплатил разработку нового устройства. Важно упомянуть, что плазменный катализ - это определенный тип цепных реакций, который осуществляется в углеводородах. Если химически активная среда при низкой температуре может давать твердую фазу, как например метан, то самый правильный путь - создать ион, высаждающий эту твердую фазу. Далее идет цепной процесс, который идет при образовании кремниевых нанокластеров. Подобные процессы имеют место и в запыленной плазме. Этим способом образуются мелкие частицы сажи, которые потом газифицируются. Задача состоит в том, чтобы найти такие условия, при которых сочетания этих процессов дают желаемый результат. Еще одно направление связано с использованием плазмы для стимулирования процессов горения. Здесь ситуация такова: запасы нефти понемногу заканчиваются, и топливо дальше будет только хуже. Плазма может предложить такие варианты, при которых удастся выдержать высокие эффективные и экологические стандарты. Есть задачи, не связанные с энергетическим кризисом, такие как создание гиперзвуковых самолетов, работающие на обычном топливе, но у которых прямоточный реактивный двигатель. Обычное топливо имеет время индукции, равное времени сгорания
plasma.fizteh.ru
06.09.2006
