Цифровая сеть для термоядерных исследований: от студенческой идеи к научному инструменту
Термоядерный синтез (термояд) – процесс слияния легких атомных ядер (обычно изотопов водорода: дейтерия и трития) в более тяжелые, происходящий при экстремально высоких температурах (млн °C). В результате выделяется колоссальное количество энергии, аналогично процессам внутри Солнца, что делает его перспективным источником почти бесконечной, чистой энергии.
Единое пространство для науки будущего
Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» создает единое информационное пространство для экспериментов в сфере управляемого термоядерного синтеза. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» стал первым ВУЗом, который ещё в 2024 году получил возможность удаленно проводить опыты на больших токамаках и предоставлять доступ к своей установке коллегам по кооперации.
Что такое токамак?
Токамак – тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза, предложенная в 1950-х советскими физиками. Название означает «ТОроидальнаяКАмера с МАгнитными Катушками». Плазма удерживается магнитными полями в форме кольца (тора), разогреваясь до миллионов градусов, что делает токамак ведущей концепцией для будущих термоядерных электростанций.
Историческое событие в НИЯУ МИФИ
В ноябре 2024 года в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (НИЯУ МИФИ, опорный ВУЗ госкорпорации «Росатом») состоялось открытие Центра дистанционного участия (ЦДУ), одного из коммуникационных узлов создаваемого «Росатомом» Единого информационного пространства термоядерных исследований. К Единому информационному пространству был также подключен токамак «МИФИСТ-0». Тогда ток в рабочей камере «зажегся» примерно через миллисекунду и тек 20 миллисекунд, температура плазмы достигла 500 тыс.℃. Данные спектров излучения в мягком рентгеновском и оптическом диапазонах сразу появились на больших экранах в Центре дистанционного участия (ЦДУ).
ЦДУ: как устроена новая инфраструктура
ЦДУ – коммуникационный узел единого информационного пространства термоядерных исследований. Это уникальная информационная сеть, объединяющая важнейшие научные центры страны, которые занимаются исследованиями в сфере управляемого термоядерного синтеза.
В каждой подключенной к единому пространству научной организации создан ЦДУ, который обеспечивает участникам сети: доступ к результатам всех научных экспериментов и возможность дистанционного участия в экспериментах на научных установках.
Наука без границ: кто и как подключается
За первым дистанционным импульсом учебного токамака в режиме реального времени наблюдали ученые из Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска и Франции. Результаты эксперимента уже готовы и с ними можно работать.
Таким же образом в экспериментах участвуют российские ученые на токамаке ИТЭР, а студенты получают возможность приобрести важный опыт.
Важность запуска токамака состоит в том, что у студентов МИФИ уже с первого курса появилась возможность участвовать не на словах, а на деле в реализации крупнейшего проекта планетарного масштаба.
От физического присутствия к цифровому доступу
Ранее работа с такими установками требовала присутствия исследователя в непосредственной близости от реактора. Теперь же цифровая платформа позволяет: вести наблюдение за экспериментами в реальном времени, участвовать в управлении процессами удалённо, обрабатывать данные совместно с коллегами из других городов.
ЦДУ сейчас является точкой входа для учёных, студентов и исследовательских групп из разных регионов России. Это означает, что талантливый студент из Сибири может проводить эксперименты на установке в Москве, не покидая своего города.
Стратегический эффект: кадры и кооперация
Проект напрямую влияет на кадровый потенциал. Ускоренная подготовка специалистов высочайшей квалификации через практику с реальными данными укрепляет позиции России в международных проектах по физике управляемого термоядерного синтеза (ФУТС). Кроме того, сеть повышает уровень научного сотрудничества между организациями Росатома, РАН и ведущими ВУЗами, устраняя ведомственные и географические разрывы.
МИФИСТ-0: от студенческой идеи к научному инструменту
Разработанное устройство токамак MIFIST-0 выводит образовательный процесс на абсолютно новый уровень. Раньше лекции и семинары, посвященные управляемому термоядерному синтезу (УТФ), не сопровождались лабораторными занятиями. Создание этого токамака дало исследователям бесценный опыт и позволило включить оборудование в образовательный процесс.
От идеи до воплощения проект первого в России и на всем постсоветском пространстве университетского токамака занял шесть лет. Поначалу установка создавалась самими студентами из подручных материалов исключительно как учебно-демонстрационная. Магнетроны брали из бытовых микроволновок – сломали восемь старых СВЧ-печей, тороидальные катушки студенты-младшекурсники вырезали ножницами по трафарету из медного листа, а полоидальные катушки наматывали вручную.
Многие преподаватели и сокурсники поначалу относились к экспериментам первопроходцев с большой долей скепсиса. А теперь, благодаря их трудам, в учебную программу старшекурсников включены две лабораторные работы. Сегодня те студенты-первопроходцы уже аспиранты НИЯУ «МИФИ» и работают в ведущих отечественных научных центрах: Егор Винецкий – на токамаке Т-15 МД в Курчатовском институте, Максим Гришаев – на сферическом токамаке «Глобус-М2» в Физико-техническом институте им. Иоффе РАН.
Поддержка и масштабирование проекта
Оценив масштабы проделанной работы и важность новой разработки НИЯУ «МИФИ» направил на токамак часть бюджета на научно-техническое творчество молодежи и средства государственной программы поддержки университетов «Приоритет-2030». Затем МИФИСТ-0 вошел в реализуемый «Росатомом» федеральный проект «Термоядерные и плазменные технологии», а госкорпорация внесла эту работу в свой единый отраслевой тематический план.
Российский термояд: сильные стороны и перспективы
Термояд изменит мир также или даже сильней, чем его изменили авиация, автомобили, выход в космос или компьютеры. Недостаток энергии - отправная точка доброй половины мировых проблем - от голода и недостатка воды до бесконечных военных конфликтов за энергоресурсы.
Высокая математическая культура, накопленный опыт, кадры и сильная традиция в образовании - козырные карты российского термояда. Кафедра физики плазмы МИФИ известна в мире своими экспериментальными работами по первой стенке реакторов УТС, материалам и диагностикам. Выпускники кафедры работают по всему миру, обеспечивая преемственность знаний и международное признание российской научной школы. Поэтому университету важно готовить не только специалистов, которые умеют эксплуатировать такие установки, как токамак, но и постоянно поддерживать талантливых разработчиков принципиально новых термоядерных устройств.
