Токамак Т-15МД

Токамак Т-15МД — это российская экспериментальная термоядерная установка типа токамак, модернизированная версия токамака Т-15. Предназначена для проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза, отработки технологий и физических процессов, необходимых для создания будущих термоядерных реакторов, в том числе гибридных и чистых энергетических установок. Т-15МД является одной из крупнейших и наиболее современных термоядерных установок в России.

История создания

История Т-15МД начинается с токамака Т-15, который был построен в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова (ныне НИЦ «Курчатовский институт») в 1980-х годах. Т-15 был первым в мире токамаком со сверхпроводящими магнитами, использующими ниобий-оловянный (Nb₃Sn) сверхпроводник. Установка была запущена в 1988 году, однако из-за экономических трудностей 1990-х годов её эксплуатация была приостановлена, а в 2000-х годах началась разработка проекта её глубокой модернизации.

В 2011 году было принято решение о создании на базе Т-15 новой установки — Т-15МД (модернизированная, дейтериевая). Проект предусматривал полную замену вакуумной камеры, магнитной системы, систем нагрева плазмы и диагностики. Основной целью модернизации было получение плазмы с параметрами, близкими к параметрам Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER), но в меньшем масштабе. Работы велись в НИЦ «Курчатовский институт» при участии предприятий Госкорпорации «Росатом».

Строительство и сборка Т-15МД были завершены в 2021 году. В мае 2021 года на установке был получен первый пробный разряд, а в декабре того же года — первая дейтериевая плазма. В 2022–2023 годах проводились пуско-наладочные работы и первые физические эксперименты. Ожидается, что выход на проектную мощность и начало полноценной исследовательской программы произойдут в 2024–2025 годах.

Устройство и характеристики

Т-15МД представляет собой токамак с асимметричным дивертором и вытянутым поперечным сечением плазмы. Основные конструктивные элементы:

Магнитная система

Магнитная система Т-15МД включает в себя:

• Тороидальные катушки (12 штук) из сверхпроводящего материала Nb₃Sn, обеспечивающие стабильное тороидальное магнитное поле. Максимальная индукция поля на оси плазмы составляет около 2 Тл.
• Полоидальные катушки (6 штук) из медного проводника, используемые для управления положением и формой плазменного шнура.
• Центральный соленоид (из медного проводника), создающий индукционный ток в плазме для её нагрева и поддержания. Система позволяет получать ток плазмы до 2 МА.

Вакуумная камера

Вакуумная камера Т-15МД выполнена из нержавеющей стали. Она имеет форму тора с большим радиусом 1,48 м и малым радиусом 0,67 м (по плазме). Внутренняя поверхность камеры покрыта специальными защитными элементами (графитовыми и вольфрамовыми плитками), которые выдерживают высокие тепловые нагрузки. Камера оснащена системой откачки для создания сверхвысокого вакуума (давление менее 10⁻⁷ Па).

Системы нагрева плазмы

Для нагрева плазмы до термоядерных температур (порядка 10–20 кэВ, что соответствует ~100–200 миллионов градусов Цельсия) используются:

• Индукционный нагрев (омический) — за счёт протекания тока в плазме.
• Два инжектора нейтральных пучков (ИНП) мощностью до 5 МВт каждый, которые вводят в плазму высокоэнергичные атомы дейтерия.
• Электронно-циклотронный нагрев (ЭЦР-нагрев) — гиротроны мощностью до 6 МВт, обеспечивающие локальный нагрев плазмы на частоте электронного циклотронного резонанса.

Диагностический комплекс

Установка оснащена обширным набором диагностик, включающим:

• Интерферометры и поляриметры для измерения плотности плазмы.
• Спектрометры для анализа состава примесей и температуры ионов.
• Магнитные зонды для измерения магнитных полей и токов.
• Камеры и болометры для регистрации излучения плазмы.
• Диагностика нейтронного излучения для контроля термоядерных реакций.

Основные параметры

Научная программа

Исследовательская программа на Т-15МД направлена на решение ключевых задач управляемого термоядерного синтеза:

Изучение физики плазмы

• Исследование поведения плазмы в режимах с высоким удержанием (H-mode) и с низким (L-mode).
• Изучение процессов переноса энергии и частиц в плазме.
• Исследование неустойчивостей плазмы (например, тиринг-моды, ELM-ы) и методов их подавления.
• Изучение взаимодействия плазмы со стенками камеры и дивертором.

Отработка технологий для ITER и будущих реакторов

• Тестирование систем нагрева плазмы (инжекторы нейтральных пучков, ЭЦР-нагрев) в длительных импульсах.
• Отработка методов управления формой и положением плазмы.
• Испытания материалов для первой стенки и дивертора (вольфрам, бериллий, сплавы).
• Разработка и тестирование новых диагностических систем.

Гибридные и чистые термоядерные реакторы

• Изучение возможности работы токамака в режиме с частичным термоядерным сжиганием топлива (дейтерий-тритий).
• Оценка нейтронных потоков и их воздействия на конструкционные материалы.
• Подготовка к созданию гибридного реактора — установки, сочетающей термоядерный синтез и деление ядер (например, проект «Термоядерный источник нейтронов»).

Значение и перспективы

Т-15МД является важным элементом российской программы управляемого термоядерного синтеза. Установка позволяет проводить исследования, которые невозможно выполнить на более крупных токамаках (например, на ITER) из-за их высокой стоимости и длительных сроков строительства. Кроме того, Т-15МД служит платформой для подготовки молодых учёных и инженеров-термоядерщиков.

В перспективе результаты, полученные на Т-15МД, могут быть использованы при проектировании:

• ДЕМО-РФ — российского демонстрационного термоядерного реактора (планируется к 2040-м годам).
• Гибридного реактора — установки, в которой термоядерный источник нейтронов используется для наработки ядерного топлива или трансмутации радиоактивных отходов.
• Чистого термоядерного реактора — для производства электроэнергии.

Интересные факты

• Т-15МД является первым в мире токамаком, в котором сверхпроводящие тороидальные катушки изготовлены из ниобий-олова (Nb₃Sn) — материала, способного работать при высоких магнитных полях.
• Установка расположена в том же здании, где ранее находился оригинальный Т-15. При модернизации была сохранена часть инфраструктуры, включая криогенную систему.
• В 2023 году на Т-15МД была получена плазма с температурой ионов около 10 кэВ и плотностью, близкой к расчётным значениям, что подтвердило работоспособность установки.
• Т-15МД — один из немногих токамаков в мире, способных работать в режиме с асимметричным дивертором, что важно для отработки диверторных систем будущих реакторов.

Критика и сложности

Несмотря на успешный запуск, Т-15МД сталкивается с рядом вызовов:

• Ограниченная длительность разряда (до 10 секунд) из-за использования медных полоидальных катушек, которые нагреваются и требуют охлаждения. Для стационарной работы необходимы полностью сверхпроводящие системы, как в ITER или китайском EAST.
• Высокая стоимость эксплуатации — для работы криогенной системы и систем нагрева требуется значительное количество электроэнергии и жидкого гелия.
• Необходимость импортозамещения — часть компонентов (например, гиротроны) ранее закупались за рубежом, что создаёт риски при санкционных ограничениях.

Источники

• НИЦ «Курчатовский институт» — официальные материалы по проекту Т-15МД.
• Журнал «Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез» — статьи о конструкции и первых экспериментах на Т-15МД.
• Доклады на конференциях по управляемому термоядерному синтезу (например, IAEA Fusion Energy Conference).
• Интервью и публикации руководителей проекта (В. П. Смирнов, А. В. Бурдаков и др.) в отраслевых СМИ.