16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/353/2098841.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 21 (353) ноябрь 2018 года

Вековой юбилей «детского сада Иоффе»

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, который по праву называют колыбелью отечественной физики, отметил столетний юбилей. Вот уже целый век легендарный Физтех занимает одно из ведущих мест не только в отечественной, но и в мировой науке.

Свой юбилей институт встречает как современный научный центр – здесь ведутся масштабные фундаментальные и прикладные исследования в самых актуальных областях физики и технологии, в том числе в энергетике и энергосбережении.



«Детский сад Иоффе»

Сегодня трудно представить, что спустя всего год после революционных событий, в разгар Гражданской войны Наркомпрос РСФСР принял решение о создании в Петрограде Государственного рентгенологического и радиологического института (ГРРИ) по инициативе профессоров А. Ф. Иоффе и М. И. Неменова. В 1939 г. институт вошел в состав РАН, а его первым директором до 1950 г. оставался Иоффе, имя которого с 1960 г. и носит Физтех.

С самого основания в институте и его подразделениях, которые начали создаваться по всей стране, велись передовые для того времени исследования по физике твердого тела, квантовой физике, физике и технике полупроводников, определившие мировой технический прогресс второй половины ХХ в. Уже в 1932 г. Иоффе организует в институте группу по исследованию атомного ядра, а позже – отдел ядерной физики под руководством И. В. Курчатова в составе трех лабораторий.

В годы войны и блокады, когда часть физтеховцев осталась работать в осажденном городе, здесь продолжались работы по созданию импульсной радиолокации, размагничиванию военных кораблей, созданию брони для танков и самолетов. Послевоенные годы института тесно связаны с созданием технологии разделения изотопов для производства термоядерного оружия, решением задач аэродинамики и тепловой защиты головных частей баллистических ракет и ракетоносителей для отечественной космонавтики, реализацией советского атомного проекта. В последующие десятилетия в Физтехе разработаны технологии силовой электроники и полупроводниковой оптоэлектроники, которые во многом обеспечили технологическую независимость страны.

«Физтех развивается исходя из традиций, существующих планов и той ситуации, которая происходит вовне», – подчеркивает академик Андрей Забродский, академик РАН, председатель оргкомитета празднования 100‑летия ФТИ.

По его словам, когда‑то немецкий коллега вывел простую на первый взгляд формулу открытий в ФТИ: она заключалась в умении его руководителя Иоффе создавать такой климат, в котором эти открытия рождаются. А открытий и достижений за прошедшие 100 лет было рождено немало. Достаточно сказать, что деятельность пятерых из 21 оте­чественного нобелевского лауреата по физике связана с Физтехом. Единственный на сегодня живущий в России нобелевский лауреат Жорес Алферов долгие годы возглавлял Физтех.

Сегодня ФТИ представляет собой крупный научно-технологический центр: в его 65 подразделениях трудится более двух тысяч сотрудников, ведущих исследования крупных фундаментальных и прикладных проблем. Среди них 18 членов РАН, около 240 докторов и 560 кандидатов наук. Институт занимает первую строчку в списке российских учреждений по суммарному индексу цитирования научных публикаций своих сотрудников. Институт взаимодействует с университетами и предприятиями, в том числе через Центр коллективного пользования, получивший федеральный статус. Физтех – активный участник международных проектов, среди которых исследование космических гамма-всплесков и антивещества во Вселенной.

Проблемы энергетики также находятся в сфере интересов Физтеха. Институт лидирует в развитии нанотехнологий для разработки фотоэлектрических и термоэлектрических преобразователей, мощных быстродействующих полупроводниковых коммутаторов, накопителей энергии на основе литий-ионных аккумуляторов, а также разработок в области термоядерной энергетики: сферических токамаков и систем диагностики сооружаемого на юге Франции международного термоядерного реактора ИТЭР.



Термоядерный «Глобус»

Токамак, в котором высокотемпературная плазма удерживается магнитным полем, считается наиболее перспективным устройством для реализации управляемого термоядерного синтеза. Первый токамак был создан в 1955 г., и долгое время эти установки существовали только в Советском Союзе. Всего в мире было построено около 300 установок. Сферических лабораторных токамаков с мегаваттными источниками дополнительного нагрева всего три: физтеховский, NSTX (США) и MAST (Великобритания). Энергетический пуск уникальной научной установки с выводом на рабочие режимы состоялся в ФТИ в июне 2018 г.

«Это еще один маленьких шаг на тернистом пути исследования термоядерного синтеза», – говорит Николай Сахаров, старший научный сотрудник лаборатории физики высокотемпературной плазмы, руководитель научных работ на установке «Глобус-М2».

За его спиной щетинится патрубками небольшой шар. Трудно поверить, что внутри него может бушевать термоядерная плазма с температурой 10‑15 миллионов градусов – выше, чем в центре Солнца. Это единственная установка в стране, где исследования плазмы ведутся в конфигурации термоядерного реактора. «Глобус-М2» был модернизирован с целью увеличения примерно в два с половиной раза параметров тока и магнитного поля, которое удерживает плазму. Это должно привести к увеличению параметров плазмы, которая может приблизиться по температуре к термоядерным установкам (а это уже сотни миллионов градусов), а также повысить время удержания энергии.

«Такие установки имеют ряд перспективных направлений исследований, – рассказывает Николай Сахаров. – Одно из них – исследование радиационной стойкости конструкционных материалов под действием потока нейтронов с энергией порядка 14 МэВ. Мы также планируем испытывать материалы, которыми облицована внутренняя поверхность камеры на плазменные нагрузки. Еще одно направление – развитие диагностических методов плазмы. Кроме того, не все фундаментальные вопросы удержания плазмы решены, и «Глобус-2М» дает возможность улучшить понимание фундаментальных процессов в плазме,помимо технических и технологических исследований».

Основное направление исследования – перспективы создания так называемых гибридных термоядерных электростанций, где могут быть использованы источники нейтронов для деления непригодных в традиционных ректорах радиационных материалов. В планах у сотрудников института реализовать проект «Глобус-3», то есть построить прототип компактного источника термоядерных нейтронов и тем самым подтвердить возможность реализации экологически чистого безопасного ядерного реактора на основе гибридной «синтез-деление» схемы.



Для солнечной энергетики нет пределов

Вклад ученых ФТИ в развитии физики и технологий наногетероструктур, полупроводниковой оптоэлектроники и нанофотоники чрезвычайно велик: мало кто знает, что с кремниевыми фотоэлементами здесь начали экспериментировать еще в довоенные годы: уже тогда появилась физтеховская статья о «солнечных крышах», которые начнут снабжать человечество неиссякаемой энергией.

Можно сказать, что это будущее наступило: крыша железнодорожного вокзала, построенного к сочинской Олимпиаде-2014, выстлана солнечными панелями, которые серийно производятся на чувашском предприятии ООО «Хевел» по разработке НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ.

«Солнечное направление энергетики сегодня развивается по всему миру огромными темпами при мощной инвестиционной поддержке, – рассказывает заместитель генерального директора НТЦ по научной работе, заведующий лабораторией физико-химических свойств полупроводников ФТИ Евгений Теруков. – Мощность солнечных электростанций достигла 450 ГВт – это вдвое больше, чем вырабатывают все атомные электростанции мира. Китай производит ежегодно по 50 ГВт модулей только для собственных нужд. Из всего объема энергии 13 ТВт, которую потребляет человечество, к 2025 году 1 ТВт начнет обеспечивать Солнце – естественный термоядерный реактор, энергию которого можно преобразовывать в электричество».

НТЦ – один из составляющих крупного инвестиционного проекта РОСНАНО и компании «Ренова», куда входит завод «Хевел» и структура, которая проектирует, создает и эксплуатирует солнечные электростанции. Завод, который обошелся инвесторам в 23 млрд руб., устоял после обрушения цен на кремниевые элементы благодаря разработкам ФТИ и переводу производства на новую технологию. Она объединяет преимущества классических тонкопленочной и кристаллической технологий и позволяет получать в промышленном производстве солнечные элементы с эффективностью почти 23 %. Поэтому по качеству и себестоимости продукция «Хевел» сегодня вполне конкурентоспособна на рынке в то время, как в других странах заводы, работавшие по тонкопленочной технологии, были вынужденно закрыты.

По данным НТЦ, к 1 мая 2018 г. в регионах РФ построены и подключены к оптовому рынку 20 СЭС суммарной мощностью 174 МВт, которые выработали 145,2 ГВт-ч электроэнергии и сэкономили 45­ 000 тонн органического топлива, предотвратив выброс более 135 000 тонн СО2. Кремниевые модули во всем мире обеспечивают работу 96 % из 450 ГВт солнечных электростанций. На первых спутниках тоже стояли кремниевые модули, но в 1960‑е гг. для космических аппаратов все изменилось: в ФТИ были получены первые в мире гетероструктурные солнечные элементы, а позже организовано промышленное производство солнечных батарей на основе каскадных квантоворазмерных гетероструктурных фотоэлементов – более эффективные и радиационно стойкие, способные не менее 15 лет работать без снижения мощности на геосинхронных орбитах в диапазоне температур от +25°С до -100°С при 10‑100‑ кратной степени концентрации солнечного излучения.

«На Земле панели на основе гетероструктур А3В5 тоже получают применение, – отмечает руководитель лаборатории фотоэлектрических преобразователей и научно-образовательного центра «Новые и возобновляемые источники энергии» д. ф.‑м. н. Вячеслав Андреев. – Так как они обеспечивают концентрацию до 1000 солнц, то это дает возможность в тысячу раз сократить площадь солнечных элементов, а функция слежения за Солнцем позволяет вырабатывать еще больше энергии на каждый киловатт мощности».

В лаборатории разработаны концентраторные фотоэнергосистемы нового поколения на основе каскадных фотопреобразователей с КПД более 40 %. В этих системах площадь и стоимость солнечных элементов снижается пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения, что снижает стоимость сетевого электричества. По словам Вячеслава Андреева, разработано около 10 автономных установок с КПД элементов порядка 40‑42 % – эти работы планируется внедрить в ОАО «Элеконд», одного из резидентов зоны опережающего развития в Сарапуле.

Солнечная энергетика, Инновации