Сегодня человечество удовлетворяет свои потребности в энергии, главным образом сжигая нефть, газ и уголь. Однако запасы нефти и газа ограничены: с учётом роста потребления энергии они могут быть в значительной мере исчерпаны за ближайшие 30-50 лет. Кроме того, нефть и газ – не только топливо, но и ценное сырьё для получения ряда химических продуктов, производства белка и других важных веществ.

Поиск альтернативных источников энергии – одна из важнейших проблем, с которыми столкнулось человечество в XXI веке. Одним из таких источников является смесь дейтерия и трития, но для получения энергетического выхода необходимо проведение управляемого термоядерного синтеза (далее – УТС).

Последние 40 лет работы по проведению УТС ведутся широким фронтом в различных направлениях. Основная цель УТС – обеспечить протекание реакции слияния лёгких ядер. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют реакции с участием изотопов водорода: дейтерия и трития (DT-цикл), либо одного дейтерия (DD-цикл).

В итоге одним из наиболее перспективных путей в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза, на котором были достигнуты наиболее значимые результаты, стали установки с магнитным удержанием плазмы, среди которых ТОКАМАКи занимают лидирующие позиции.

В настоящее время усилиями международного научного сообщества созданы основы для перехода к освоению энергии управляемого термоядерного синтеза. Итогом этих усилий является разработка учёными разных стран проекта Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР).

Создание ИТЭР предполагает разработку различного вида экспериментальных термоядерных установок и проведения исследований на них. Одной из таких установок является материаловедческий ТОКАМАК КТМ, разрабатываемый при участии научных организаций России. Основным назначением ТОКАМАКа КТМ является исследование взаимодействия плазмы с внутрикамерными элементами и поведения испытуемых материалов в условиях воздействия на них мощных корпускулярных и тепловых потоков, величина которых достигает 20 МВт/м2, а также переменных и постоянных электрических и магнитных полей, возникающих в процессе разрядов. Причём величины этих воздействий должны быть близкими к ожидаемым в первом энергетическом реакторе ИТЭР, чтобы можно было сделать вывод о применимости исследуемых материалов для изготовления элементов этого реактора. Наряду с этим, основными задачами ТОКАМАКа КТМ являются:

• исследования методов снижения тепловых нагрузок на элементы камеры;
• достижение устойчивых разрядов плазмы с большими уровнями тепловых и корпускулярных потоков на приемные устройства;
• исследование процессов формирования и устойчивого поддержания различных конфигураций плазмы.

Перечень организаций, принимающих участие в проекте создания ТОКАМАКа КТМ, показан в приведенной ниже схеме.

Томский политехнический университет представлен в проекте кафедрой «Электроника и автоматика физических установок», сотрудники которой разрабатывают один из разделов проекта «Система автоматизации экспериментов на ТОКАМАКе КТМ». Укрупненная структурная схема САЭ КТМ показана на следующем рисунке.

САЭ КТМ имеет трехуровневую структуру, представленную на рисунке 2. Нижний уровень (уровень I) системы управления включает в себя малоканальные контроллеры, выполняющие задачи управления отдельными блоками и агрегатами технологических систем, системы цифрового управления источниками питания электромагнитной системы, а также модули сбора данных диагностических систем. Средний уровень (уровень II) включает промышленные контроллеры и компьютеры, обеспечивающие координацию работы контроллеров первого уровня в рамках технологической подсистемы, и их синхронизацию в ходе эксперимента.

Верхний уровень (уровень III) САЭ ТОКАМАКа КТМ включает в себя:

• многотерминальный пульт главного оператора КТМ, который состоит из пульта общего управления экспериментом, пульта оператора технолога и пульта ведущего физика, обеспечивающих визуализацию на мнемосхемах параметров технологических систем и результатов физического эксперимента;
• панель коллективного пользования (ПКП), на которой отображается мнемосхема комплекса установки КТМ, выполняется предупредительная и аварийная сигнализация, а также представляются основные параметры эксперимента;
• стойка серверов информационно-измерительной системы (ИИС).

Основными функциями третьего уровня СУТП являются: объединение в одну управляющую систему всего технологического оборудования КТМ; обработка, регистрация, представление технологической и экспериментальной информации на графических мнемосхемах и ее документирование; анализ аварийных ситуаций, формирование сообщений предупредительной сигнализации, отработка алгоритмов общей аварийной защиты КТМ.