Создание реактора на основе управляемого термоядерного синтеза (УТС) – амбициозная цель, над которой исследователи работают уже не один десяток лет. Считается, что при успешном развитии именно термоядерные реакторы смогут решить энергетическую проблему человечества. На сегодняшний день в мире реализуются или находятся на стадии проектирования несколько экспериментальных термоядерных реакторов. Среди них самым масштабным является Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor). Основным проектом российской термоядерной программы является ТРТ (Токамак с реакторными технологиями). Но есть и локальные проекты, основанные на альтернативных схемах удержания термоядерной плазмы. Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разрабатывает проект Газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ) – установки, которая должна продемонстрировать возможность создания экономически и экологически привлекательного термоядерного реактора на основе магнитных ловушек открытого типа. ГДМЛ реализуется в рамках федерального проекта «Технологии термоядерной энергетики». В 2025 г. физики разработали технические проекты двух важных элементов будущей установки: сверхпроводящей магнитовакуумной системы центральной секции и магнитовакуумной системы концевых расширителей.
Чтобы ядра топливной смеси в термоядерном реакторе могли эффективно вступать в реакцию, их энергия должна соответствовать температуре масштаба ста миллионов градусов. Подобные критические температуры превращают топливо в плазму, значит реактор должен быть сконструирован таким образом, чтобы производящее энергию вещество сохраняло необходимую температуру и не разрушало стенку реактора тепловой нагрузкой, а еще – удерживалось в течение необходимого времени. Одним из подходов к решению проблемы УТС является использование магнитного поля (магнитных ловушек) для термоизоляции и удержания плазмы. Магнитные ловушки могут быть замкнутого (токамаки, стеллараторы) и открытого (пробкотрон) типа. Например, ИТЭР, EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, Китай), KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research, Корея), ТРТ – это токамаки. А в основе прототипов и проектов термоядерного реактора Norm (TAE Technologies, США), Hammir (Realta Fusion, США), Voyager (СуперОкс - ИЯФ СО РАН, Россия) лежат магнитные системы открытого типа. В ИЯФ СО РАН в настоящее время развивается проект газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ). ГДМЛ – это экспериментальная установка, где планируется отработка ключевых термоядерных технологий, необходимых для реализации проекта Voyager.
Использование для удержания плазмы с термоядерными параметрами магнитных ловушек открытого типа видится весьма перспективным. Их преимущество, помимо относительно простой с инженерной точки зрения конструкции, в том, что для них представляется доступной работа с альтернативными видами топлива, например, дейтерий-дейтерий. Предполагается, что в ИТЭР будет использоваться топливо на основе дейтерий-тритиевой смеси. Производство трития составляет лишь несколько килограммов в год, и его распространение жестко контролируется, а вот дейтерий сравнительно дешевый и содержится в огромном количестве в обычной воде.
ИЯФ СО РАН был одним из пионеров в области создания и развития открытых магнитных систем и продолжает работать в данном направлении. В институте действует четыре экспериментальные установки такого типа – КОТ (Компактный осесимметричный тороид), ГДЛ (Газодинамическая ловушка), ГОЛ-NB (Гофрированная ловушка - Neutral beams) и СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка). Эксперименты на них показали впечатляющие результаты по нагреву и времени удержания плазмы. Например, в экспериментах на ГДЛ удалось достичь устойчивого нагрева плазмы до 10 млн градусов, а комбинация разных типов магнитных пробок и винтового удержания на СМОЛЕ позволили сократить продольные потери частиц в несколько десятков раз. Проект ГДМЛ основывается как раз на тех достижениях и технологиях, которые были получены и отработаны на этих экспериментальных плазменных установках.
«Концептуально ГДМЛ представляет собой магнитную ловушку с диамагнитным удержанием, – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Судников. – Эту базу мы дополняем всеми отечественными достижениями в области управляемого термоядерного синтеза: многопробочным удержанием плазмы, в том числе винтовым, нагревом с помощью атомарных инжекторов, СВЧ нагревом с помощью гиротронов, технологиями сверхпроводимости и прочим. Дальше мы рассчитываем параметры плазмы, которые необходимо получить, чтобы продемонстрировать работу термоядерного реактора на основе открытых магнитных систем, и создаем технический проект будущей машины, ее элементов – какими они должны быть».
Над проектом ГДМЛ работают более шести десятков физиков и инженеров из ИЯФ СО РАН, Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН, компании СуперОкс и других отечественных организаций. За 2025 г. специалисты закончили технические проекты основных элементов первой очереди ГДМЛ: сверхпроводящей магнитовакуумной системы центральной секции и магнитовакуумной системы концевых расширителей. Технический проект представляет собой проработанную конструкторскую модель элементов установки со всеми принятыми техническими решениями и данными по ее геометрии, структуре, свойствам и параметрам.
Магнитная система и вакуумная камера центральной ячейки ГДМЛ П.А. Багрянский«Для эффективного удержания плазмы магнитное поле в центральной секции ловушки должно быть 1,5 Тесла. Достичь таких параметров можно при помощи низкотемпературных сверхпроводников – технология понятная и вполне освоенная, – добавил Антон Судников. – Гораздо более напряженные узлы – магнитные пробки, поле в которых напрямую влияет на качество удержания. Например, на тех же низкотемпературных проводниках можно достичь 16 Тесла, а высокотемпературные – могут дать все 20 Тесла. Но это уже окрестности края возможностей современной техники. В общем, физика задает цель, высокая техника определяет предельные параметры, предельные параметры определяют технические решения, технические решения позволяют создать конструкцию, а уже конструкцию можно разбить на мелкие детали и изготовить в железе. Центральная секция ГДМЛ на данный момент проработана настолько, что можно брать и начинать чертить детали, а потом отдавать на высокотехнологичное производство. То же самое касается расширителей, которые хоть визуально и похожи на большие бочки, но внутри них располагаются сложные и разнообразные элементы, которые, по сути, обеспечивают работу всей ловушки».
Федеральный проект «Технологии термоядерной энергетики» реализуется в России в 2025–2030 г. в рамках национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии». Цель проекта – обеспечить современную исследовательскую базу для разработки термоядерных и плазменных технологий, на основе которых можно будет создать практически неисчерпаемые экологически чистые источники энергии, мощные плазменные двигатели для космических аппаратов, инновационные материалы и оборудование для медицины, машиностроения и других наукоемких отраслей экономики.