Российские физики развивают технологии для нагрева плазмы в больших токамаках

: 26.12.2025

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разрабатывает атомарные инжекторы – устройства, необходимые для диагностики и нагрева плазмы до термоядерных температур в установках с магнитным удержанием (токамаках, открытых ловушках) для проведения экспериментов в области управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время ИЯФ СО РАН в рамках федерального проекта «Технологии термоядерной энергетики» национального проекта технологического лидерства «Новые атомные и энергетические технологии» участвует в разработке нового российского токамака с реакторными технологиями (ТРТ). В ИЯФ СО РАН создан прототип инжектора высокоэнергетических частиц, использующего пучок отрицательных ионов водорода с энергией 400 кэВ и током более 1 А. Для конверсии отрицательных ионов в быстрые атомы разрабатывается плазменный нейтрализатор, который должен обеспечить высокую эффективность - 85%. Полученные на прототипе параметры подтверждают эффективность разработанных специалистами ИЯФ СО РАН технологий. Примененные и испытанные решения в будущем предполагается использовать в конструкции инжекторов для создаваемого российского токамака.

Инжекторы частиц с энергией 0.1-1 мегаэлектронвольт (МэВ) необходимы для диагностики и нагрева плазмы до термоядерных температур (около 200 млн градусов) в установках с магнитным удержанием, например, токамаках. В настоящее время они интенсивно разрабатываются в ведущих исследовательских центрах Германии, Великобритании, Италии, Франции, Японии, Китая, Кореи и России в рамках национальных и международных проектов. В Институте разработана серия атомарных инжекторов, которые широко используются в РФ и за рубежом, были внедрены и исследованы новые методы и технологические решения для получения нагревных и диагностических пучков частиц.

PXL 20251216 040139109.MP 1

Ускорительный стенд инжектора на основе отрицательных ионов в ИЯФ СО РАН. Фото Т. Морозовой.

«Разработанные ранее и разрабатываемые за рубежом инжекторы высокоэнергетического атомарного пучка используют “классическую” схему инжектора, – прокомментировал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Игорь Шиховцев. – В этой схеме источники отрицательных ионов напрямую стыкуются с примыкающим к ним ускорителям и газовыми мишенями для нейтрализации пучка. У такой схемы есть проблемы, связанные с трудностью откачки газа, поступающего из источников плазмы в ускоритель и с высоковольтной прочностью ускорителя, обусловленные попаданием сопутствующих пучку частицы. Отличительной особенностью конструкции нашего инжектора является отделение ионного источника от ускорителя переходной областью с интенсивной откачкой, которая позволяет очистить пучок от паразитных примесей - электронов, атомов обдирки, потоков цезия. Такая конструкция позволяет существенно повысить высоковольтную прочность и надежность инжектора, усилить откачку ионного источника и ускорителя. Для проектируемого токамака ТРТ будут нужны пучки атомов дейтерия с энергией 500 кэВ и мощностью более 20 мегаватт в импульсах длительностью 100 секунд. В рамках отработки технологий в ИЯФ СО РАН был создан прототип инжектора с ускорением пучка отрицательных ионов водорода, что позволяет избежать реакций дейтериевого пучка с рождением нейтронов и упростить систему защиты от нежелательных излучений».

Получение пучка с высокими характеристиками тока, энергии и продолжительности импульса является сложной технической задачей, для решения которой в институте предложено несколько принципиально новых технологий.

«Инжекторы ИЯФ СО РАН отличаются от мировых аналогов, которые будут применяться в международном токамаке ИТЭР и японском токамаке JT 60, не только структурой, – добавил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Олег Сотников. – Для повышения высоковольтной прочности источника ионов в российском инжекторе внедрена система охлаждения электродов с помощью прокачки горячего теплоносителя, которая позволяет поддерживать температуру электродов на необходимом уровне и предотвращает их загрязнение примесями из плазмы. Для повышения однородности генерации пучка на протяженной эмиссионной поверхности источника ионов у нас разработана и успешно используется система распределенной направленной подачи катализаторов ионной эмиссии – паров цезия. В разработанном прототипе отработаны основные идеи, которые будут заложены в мощные инжекторы ТРТ, и безусловно будут использованы на инжекторах других установок УТС».