Искра-5

«Искра-5» — советский и российский импульсный термоядерный реактор (лабораторная термоядерная установка типа «токамак»), созданная в 1980-х годах в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ, ныне входит в Госкорпорацию «Росатом»). Установка предназначена для изучения физики высокотемпературной плазмы, процессов нагрева и удержания плазмы в магнитном поле, а также для отработки технологий, необходимых для создания промышленных термоядерных реакторов. «Искра-5» является одной из крупнейших в мире установок с током плазмы до 5 МА и магнитным полем до 3 Тл.

История создания

Предпосылки и начало разработки

В 1960–1970-х годах в СССР активно развивалась программа управляемого термоядерного синтеза (УТС). Ключевым направлением стали токамаки — тороидальные камеры с магнитными катушками, в которых плазма удерживается магнитным полем. К середине 1970-х годов на установках Т-10 (Курчатовский институт) и Т-15 (ТРИНИТИ) были достигнуты рекордные параметры плазмы. Однако для перехода к реакторным условиям требовались установки с большим током плазмы (более 3 МА) и длительным импульсом.

В 1978 году постановлением Совета Министров СССР было принято решение о создании в ТРИНИТИ (г. Троицк, Московская область) установки «Искра-5» с проектными параметрами: ток плазмы — 5 МА, магнитное поле — 3 Тл, длительность импульса — до 1 с. Разработка велась под руководством академика Е. П. Велихова и директора ТРИНИТИ В. А. Глухих.

Строительство и запуск

Строительство комплекса «Искра-5» началось в 1980 году. Основные элементы установки:

• Вакуумная камера — тороидальная камера из нержавеющей стали с внутренним диаметром 1,2 м и большим радиусом 1,5 м.
• Магнитная система — 12 полоидальных катушек и 8 тороидальных катушек, создающих поле до 3 Тл.
• Система нагрева плазмы — нейтральная инжекция (мощность до 10 МВт) и электронно-циклотронный нагрев (до 5 МВт).
• Система управления — на базе ЭВМ СМ-1420.

Первый плазменный разряд на «Искре-5» был получен 15 декабря 1985 года. В 1986–1987 годах проведены пусконаладочные работы, и установка вышла на проектные параметры: ток плазмы 5,2 МА, температура электронов 1,5 кэВ, длительность импульса 0,8 с.

Эксплуатация и модернизации

В 1990-х годах, в условиях экономического кризиса, финансирование «Искры-5» было сокращено, но установка продолжала работать в режиме ограниченных экспериментов. В 2000-х годах проведена модернизация:

• Замена системы управления на современную цифровую (2005).
• Установка нового инжектора нейтральных частиц (2008).
• Внедрение системы дистанционного управления (2012).

В 2015–2020 годах на «Искре-5» проводились эксперименты по изучению режимов с улучшенным удержанием плазмы (H-мода), а также тестирование материалов для первой стенки будущего реактора ИТЭР.

Устройство и характеристики

Основные параметры

Конструкция

1. Вакуумная камера — изготовлена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, имеет два слоя: внутренний (диаметр 1,2 м) и внешний (диаметр 1,8 м). Между слоями — вакуумная изоляция. Камера оснащена 12 портами для диагностики и ввода мощности.
2. Магнитная система:

• Тороидальные катушки — 8 штук, каждая из медной шины сечением 200×50 мм, охлаждаемые водой. Создают поле до 3 Тл.
• Полоидальные катушки — 12 штук, расположены вокруг камеры, предназначены для управления положением и формой плазмы.

1. Система нагрева:

• Нейтральная инжекция — два инжектора с энергией частиц 50–80 кэВ, мощностью по 5 МВт каждый.
• Электронно-циклотронный нагрев — гиротрон с частотой 140 ГГц, мощностью 5 МВт.

1. Диагностика:

• Магнитные зонды (измерение тока и положения плазмы).
• Интерферометры (измерение плотности).
• Спектрометры (измерение температуры и состава примесей).
• Камеры с быстрой съёмкой (визуализация плазмы).

Научные результаты

Исследование физики плазмы

На «Искре-5» получены следующие ключевые результаты:

• Режимы с улучшенным удержанием (H-мода) — в 1998 году впервые на установке достигнут режим H-моды, характеризующийся резким повышением температуры и плотности плазмы на периферии.
• Исследование неустойчивостей — изучены тиринг-моды и срывы (резкие потери удержания), разработаны методы их подавления с помощью полоидальных катушек.
• Взаимодействие плазмы со стенкой — проведены эксперименты по эрозии материалов (вольфрам, бериллий, углерод) в условиях высоких тепловых потоков (до 10 МВт/м²).

Технологические разработки

• Система управления — создана цифровая система управления разрядом, позволяющая в реальном времени корректировать параметры магнитного поля и нагрева.
• Диагностика — разработаны новые методы измерения температуры плазмы с помощью лазерного рассеяния (Томсоновское рассеяние) и спектроскопии.
• Материалы — протестированы образцы вольфрамовых и бериллиевых покрытий для первой стенки ИТЭР.

Значение для термоядерной энергетики

«Искра-5» является важным звеном в программе управляемого термоядерного синтеза России. Её основные достижения:

• Подтверждение возможности удержания плазмы с током 5 МА в течение длительного импульса.
• Отработка технологий нагрева и диагностики, которые используются в более крупных установках (например, в токамаке Т-15МД).
• Подготовка кадров для проекта ИТЭР — международного экспериментального термоядерного реактора, строящегося во Франции.

В 2020-х годах «Искра-5» продолжает использоваться для экспериментов, связанных с разработкой гибридных реакторов (сочетание термоядерного синтеза и деления ядер) и изучением плазмы с высоким содержанием примесей.

Критика и ограничения

Несмотря на успехи, «Искра-5» имеет ряд недостатков:

• Малый размер — радиус плазмы (1,5 м) недостаточен для достижения условий зажигания (самоподдерживающейся термоядерной реакции).
• Низкая температура — максимальная температура плазмы (2 кэВ) в 10–20 раз ниже, чем требуется для реактора (10–20 кэВ).
• Ограниченная длительность импульса — 1 с недостаточно для стационарной работы.

Эти ограничения являются следствием того, что «Искра-5» создавалась как лабораторная установка, а не как прототип реактора.

Интересные факты

• «Искра-5» — одна из немногих в мире токамаков, способных работать с током плазмы более 5 МА. Аналогичные установки существуют в США (DIII-D, 2 МА) и Японии (JT-60SA, 5,5 МА).
• В 1990-х годах на «Искре-5» проводились эксперименты по изучению плазмы с примесями гелия, моделирующие условия в реакторе.
• Установка расположена в подземном бункере глубиной 20 м, что обеспечивает защиту от радиации и электромагнитных помех.

Источники

• Велихов Е. П., Глухих В. А. «Термоядерный синтез: от идеи к реактору». — М.: Наука, 2005.
• Отчёты ТРИНИТИ за 1985–2020 годы.
• «Искра-5: 30 лет исследований» // Атомная энергия, 2015, № 4.
• Материалы конференций по управляемому термоядерному синтезу (Москва, 2010–2020).