60 лет назад, в марте 1965 года, был введен в эксплуатацию токамак Т-6. 50 лет назад был запущен токамак Т-11, в который был модифицирован Т-6. Токамак Т-11 тоже улучшили, и теперь он под именем Т-11М работает в институте в Троицке. Ученые ГНЦ РФ ТРИНИТИ отрабатывают на нем технологии для перспективных термоядерных установок.
Т-6, как очевидно из его названия, был далеко не первым и не последним в серии токамаков. Кстати, у первого научного обсуждения идеи использовать управляемый термоядерный синтез (УТС) в промышленной энергетике в этом году тоже юбилей. В 1950-м молодой сержант Олег Лаврентьев, проходивший тогда военную службу на Сахалине, написал в ЦК КПСС письмо. В нем он изложил две идеи, одна из которых как раз была посвящена УТС. Олег Лаврентьев предложил схему реактора, в которой высокотемпературная плазма изолируется с помощью высоковольтного электрического поля. Письмо передали физикам-ядерщикам, и те отметили оригинальность и смелость мысли автора.
Более жизнеспособную идею тороидального термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы предложили Андрей Сахаров и Игорь Тамм. Она была утверждена в январе 1951 года. Первую установку собрали в том же году. Это был стеклянный тор в толстостенном медном кожухе. Предполагалось, что плазма будет нагреваться от протекающего по ней тока, а от соприкосновения со стенками удерживаться наведенными токами Фуко, возбуждаемыми в медном кожухе. Позднее, в 1957 году, ученик Игоря Курчатова Игорь Головин предложил назвать систему для УТС, разрабатываемую советскими учеными, «токамаком». Это сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками».
Тороидальная концепция конкурировала со стеллараторной. Но на международной конференции по УТС, которая прошла в Новосибирске в 1968 году, советские ученые рассказали о достигнутых на токамаках экспериментальных результатах, которые оказались на порядки лучше, чем на установках другого типа. Образно говоря, доклады оказались интеллектуальным «термоядерным взрывом».
И токамаки стали появляться по всему миру, заняв в термоядерном научном мире лидирующие позиции. С 1960 по 1988 год только в СССР был построен 21 токамак, некоторые из которых были переданы в другие страны. И главное: международный проект ИТЭР, который должен доказать возможность коммерческой реализации УТС, — это токамак.
Автором установки токамака Т-6 был младший научный сотрудник Курчатовского института, будущий лауреат Государственной премии СССР, самый умный и знающий из мозгового окружения Льва Арцимовича — Владимир Муховатов. Установка Т-6 была им задумана как шедевр гладкости (безгофрированности) тороидального магнитного поля. Она имела стабилизирующий медный кожух внутри разрядной камеры, предельно приближенный к плазме, чтобы работать при максимальных токах и минимальных запасах устойчивости. На ней детально изучались вопросы устойчивости плазмы.
В 1975 году установка была модернизирована и названа Т-11. На ней стали целенаправленно проводить опыты по дополнительному нагреву плазмы с помощью инжекции пучка быстрых нейтральных атомов. Это было важно, потому что дополнительный нагрев плазмы в токамаках стал к тому времени самостоятельной проблемой. Расчеты показали, что предельная температура плазмы, которую можно достичь обычным нагревом в 4–5 раз ниже необходимой для интенсивной термоядерной реакции. Идея инжекции нейтральных атомов показала хорошие результаты.
В 1985 году установка была демонтирована, затем модернизирована и возрождена под именем Т-11М для решения диагностических задач, благодаря Э. А. Азизову. В настоящее время троицкий токамак Т-11М — одна их трех действующих установок магнитного удержания плазмы в России. Она работает как материаловедческий стенд для решения важнейших задач первой стенки и тестирования в реальных условиях новых предложений.
Первый крупный успех — применение боронизации с помощью карборана для покрытия первой стенки всех российских и ряда зарубежных токамаков для уменьшения уровня примесей. Второй успех — использование лития с применением капиллярно-пористых систем для тех же целей.
Параметры Т-11 М по современным меркам скромные: ток в плазме — до 0,1 МА, температура электронов плазмы — до 500 эВ, максимальная плотность плазмы – несколько единиц на 7х1013 см3. Тем не менее они позволяют исследовать взаимодействия плазмы с первой стенкой токамака и сами материалы первой стенки, разрабатывать методы ее защиты, изучать динамику срыва разряда, отрабатывать новые диагностики плазмы.
В настоящее время на Т-11М разрабатывают жидкую литиевую защиту для токамаков. Она нужна, чтобы купировать приходящие из плазмы потоки частиц, снижая тепловую нагрузку на стенку. В 2022 году ученые института выполнили внешнюю дозаправку эмиттерной системы Т-11М литием без нарушения вакуумных условий в рабочей камере — это результат мирового уровня.
Сейчас на Т-11М идут испытания полного набора систем и технологий литиевой защиты первой стенки термоядерного реактора. В частности, испытываются перспективные устройства и технологии: лимитер, коллектор, инжектор.
Результаты исследований на Т-11М используются в более сложных проектах: на токамаке Т-15МД, на российском токамаке с реакторными технологиями (ТРТ) и в международном проекте ИТЭР в части боронизации стенок карбидом бора. В частности, на ТРТ планируют использовать именно жидкую литиевую защиту.
