Над установкой ГДЛ (Газодинамическая ловушка) в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН работает коллектив Лаборатории №10 (Лаборатория физики открытых ловушек). Это команда, состоящая из ведущих ученых, научных сотрудников, инженеров и молодых специалистов.

Ключевые фигуры и руководители:

• П.А. Багрянский — заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, доктор физико-математических наук. Один из главных идеологов и руководителей проекта ГДЛ и его развития в сторону установки ГДМЛ

 

За последний год (2024–2025) на установке ГДЛ (Газодинамическая ловушка) в ИЯФ СО РАН был получен ряд значимых результатов, которые опубликованы в научных журналах и представлены на конференциях. Основные направления исследований касались повышения эффективности удержания плазмы, взаимодействия с нейтральным газом и подготовки к созданию установки ГДМЛ.

Ключевые публикации и результаты:

1. Взаимодействие плазмы с нейтральным газом (Упрощение конструкции ГДМЛ)

• Публикация: Статья в журнале Plasma and Fusion Research.
• Суть: Ученые ИЯФ впервые экспериментально доказали, что скорость откачки нейтрального газа в вакуумной системе открытой ловушки можно снизить почти в 100 раз по сравнению с теоретическими оценками без потери параметров плазмы.
• Значение: Плазма сама «выталкивает» нейтральный газ из горячего центра к стенкам расширителя. Это открытие позволяет существенно упростить и удешевить вакуумную систему проектируемой установки ГДМЛ, так как больше не требуются насосы с производительностью миллионы литров в секунду.

2. Удержание быстрых ионов и управление профилем плазмы

• Публикация: Доклады на Конкурсе молодых ученых ИЯФ (май 2025 г.).
• Суть: В докладе «Влияние подвижного лимитера на удержание быстрых ионов в ГДЛ» были представлены результаты управления радиальным распределением быстрых ионов.
• Результат: С помощью подвижного лимитера (диафрагмы) удалось изменять область ларморовских центров ионов. При уменьшении этой области наблюдалось увеличение плотности быстрых ионов и, как следствие, рост выхода нейтронов от D-D реакций при том же уровне диамагнетизма плазмы. Это важный шаг для создания точечных источников нейтронов.

3. Высокие параметры удержания и нагрева

• Публикация: Обзорные статьи и интервью в СМИ (2024–2025 гг.).
• Суть: Подтверждение статуса ГДЛ как установки с рекордными параметрами для открытых ловушек.
• Результат: На ГДЛ достигнута стабильная электронная температура около 1 кэВ (более 10 млн градусов). Инжекция атомарных пучков мощностью около 4 МВт позволяет доводить давление плазмы почти до 50% от давления магнитного поля (высокий параметр β), что является необходимым условием для создания компактного реактора.

Установки ГОЛ-3 и ГОЛ-NB (Гофрированная ловушка) — это ключевые элементы экспериментальной базы Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, предназначенные для исследования альтернативного токамакам направления — удержания плазмы в открытых магнитных ловушках. Обе установки входят в состав УНУ «Комплекс ДОЛ» (Длинные открытые ловушки).

Это историческая и одна из самых необычных установок ИЯФ. В отличие от ГДЛ, где плазма нагревается нейтральными пучками, на ГОЛ-3 для нагрева используется мощный релятивистский пучок электронов.

 

• Принцип работы: Магнитное поле в ловушке не однородное, а «гофрированное» — оно состоит из последовательности чередующихся областей сильного и слабого поля (магнитных зеркал). Когда мощный электронный пучок влетает в такую ловушку, он раскачивает плазменные волны. За счет коллективного взаимодействия электроны плазмы очень эффективно поглощают энергию пучка.
• Главные достижения:
• В 1992 году на ГОЛ-3 был обнаружен эффект подавления продольной электронной теплопроводности на три порядка величины. Это позволило нагреть электроны плазмы до температуры в несколько килоэлектронвольт (десятки миллионов градусов).
• В 2003 году в многопробочной конфигурации был достигнут быстрый нагрев ионов до температур, близких к термоядерным.
• Современное состояние: Сегодня ГОЛ-3 — это целый исследовательский комплекс. Сама гофрированная камера используется как база для других установок и материаловедческого стенда BETA (испытание материалов под воздействием мощных электронных пучков).

Это установка нового поколения, созданная на базе опыта ГОЛ-3. Первая плазма в ее стартовой конфигурации была получена в 2018 году.

 

• Гибридная концепция: ГОЛ-NB — это «гибрид» газодинамической ловушки (как ГДЛ) и многопробочной гофрированной ловушки (как ГОЛ-3).
• В центральной части она работает как ГДЛ: плазма удерживается газодинамически, а нагрев осуществляется с помощью мощных инжекторов нейтральных атомов (отсюда аббревиатура NB — Neutral Beams).
• На торцах (по 14 магнитных пробок с каждой стороны) установлены секции с гофрированным магнитным полем.
• Цель создания: Главная задача ГОЛ-NB — проверить, можно ли объединить преимущества двух подходов. Газодинамический центр обеспечивает высокое давление плазмы (параметр β), а многопробочные гофрированные секции на концах должны резко снизить продольные потери плазмы, которые являются главной проблемой открытых ловушек.2 источника
• Научная программа: На установке отрабатываются технологии для будущего реактора ГДМЛ. В частности, исследуются методы удержания плазмы с высоким давлением (β, близким к единице), такие как «вихревое удержание» (создание вращения плазмы радиальным электрическим полем) и взаимодействие мощных плазменных потоков с материалами первой стенки.

Характеристика	ГОЛ-3	ГОЛ-NB
Метод нагрева	Релятивистский пучок электронов	Инжекция нейтральных атомов
Магнитное поле	Сильно гофрированное по всей длине	Гибридное: гладкий газодинамический центр + гофрированные пробки на торцах
Главная задача	Физика коллективного взаимодействия пучка с плазмой, рекордный нагрев электронов	Демонстрация снижения продольных потерь в гибридной схеме для проекта ГДМЛ
Статус	Историческая база, стенд для материаловедения и тестирования узлов	Действующая экспериментальная установка нового поколения (с 2018 г.)

 

Магнитные пробки (или магнитные зеркала) в установке ГОЛ-NB нужны для решения главной проблемы всех открытых ловушек — устранения продольных потерь плазмы.

Проблема: «утечка через торцы» В установках типа ГДЛ (Газодинамическая ловушка) плазма удерживается в прямой трубе. Магнитное поле не дает ей разлетаться в стороны (радиально), но вдоль оси цилиндра силовые линии открыты. Плазма, особенно ее быстрая и горячая часть, беспрепятственно вытекает с обоих торцов установки, как вода из шланга. Чтобы реактор работал, нужно либо бесконечно компенсировать эти потери нагревом, либо найти способ «заткнуть» эти дыры.

Принцип работы пробки Магнитная пробка — это область, где индукция магнитного поля резко возрастает (в ГОЛ-NB на концах установлены такие секции). Когда заряженная частица (ион или электрон) летит из центра ловушки к такому «горлышку», она начинает двигаться по спирали вокруг силовой линии. Чем сильнее поле, тем туже спираль. Когда частица достигает точки максимального поля, ее продольная скорость (направленная к стенке) падает до нуля, и она отражается обратно в центр. Этот эффект в физике называют «магнитным зеркалом». Частица просто «отпружинивает» от области сильного поля.

Зачем они нужны именно в ГОЛ-NB В ГОЛ-NB реализована гибридная схема, и пробки выполняют там две критически важные функции:

1. Создание многопробочного режима (торможение потока): В ГОЛ-NB на каждом торце установлено не по одной пробке, а целая серия из 14 магнитных пробок, образующих гофрированное поле. Плазма, вытекающая из центрального газодинамического объема, попадает в этот «лабиринт».
• Частицы постоянно сталкиваются между пробками.
• Вместо того чтобы свободно лететь к выходу, плазма начинает медленно «продираться» сквозь пробки.
• Магнитное поле создает своего рода вязкое трение для плазменного потока. В результате скорость истечения плазмы падает, а время ее жизни в ловушке (энергетическое время удержания) существенно увеличивается.
2. Удержание быстрых ионов: Центральную часть ГОЛ-NB нагревают мощные пучки нейтральных атомов. В плазме они превращаются в быстрые ионы. Эти ионы движутся по очень широким орбитам. Если бы пробок не было, они вылетели бы из установки за доли миллисекунды. Магнитные пробки на концах отражают эти ионы назад в центр, не давая им покинуть зону нагрева.

Инженерная логика ГОЛ-NB Установка разделена на зоны:

• Центр (газодинамический): Здесь плазма плотная и горячая. Магнитное поле относительно слабое и однородное, чтобы инжекторы нейтральных пучков могли эффективно передать энергию.
• Торцы (многопробочные): Здесь плазма становится более разреженной. Чтобы она не улетела мгновенно, плотность магнитных пробок увеличивается.

Таким образом, магнитные пробки в ГОЛ-NB служат «пробками» в буквальном смысле: они преобразуют быстрый, свободный отток плазмы в медленный, диффузионный процесс, что является необходимым условием для создания экономически выгодного термоядерного реактора открытого типа (проект ГДМЛ).

СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка) — это экспериментальная установка, запущенная в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН в 2017 году. Она представляет собой принципиально новый шаг в развитии концепции открытых магнитных ловушек для удержания термоядерной плазмы.

 

 

В чем заключается новая идея СМОЛЫ В классических открытых ловушках (таких как ГДЛ или ГОЛ-3) магнитное поле прямое — его силовые линии идут вдоль оси установки от одного торца к другому. Плазма удерживается в центре, но вытекает вдоль этих прямых линий через магнитные пробки.

В установке СМОЛА магнитное поле искривлено по спирали (имеет винтовую симметрию). Плазма, вытекающая из центральной части, попадает не в прямые «трубы» расширителей, а в винтовую структуру.

Зачем нужно винтовое поле Главная задача СМОЛЫ — проверить идею активного управления плазменным потоком. Когда плазма движется вдоль искривленных (винтовых) силовых линий, возникают следующие эффекты:

1. Увеличение пути частицы: Из-за спирали частица, чтобы пролететь один метр вдоль оси установки, должна физически пролететь по спирали гораздо большее расстояние. Это само по себе замедляет продольный отток.
2. Центробежное удержание: Двигаясь по дуге, заряженные частицы испытывают центробежную силу, которая отбрасывает их в область более сильного магнитного поля (к стенкам винтовой секции). Это создает дополнительные условия для их отражения и удержания.
3. Подавление турбулентности: Винтовое поле эффективно управляет вращением плазмы и подавляет определенные виды микронеустойчивостей, которые в прямых ловушках приводят к аномальному переносу тепла поперек магнитного поля.

• Рост температуры: По словам заместителя директора ИЯФ СО РАН Александра Иванова, если оснастить существующую установку ГДЛ (где уже нагрета плазма до 10 миллионов градусов) элементами, подобными СМОЛЕ, температура плазмы должна вырасти в несколько раз.2 источника
• Отработка для ГДМЛ: СМОЛА является полигоном для отработки технологий будущей установки ГДМЛ (Газодинамической многопробочной ловушки). Если эксперименты на СМОЛЕ подтвердят эффективность винтового удержания, эти принципы будут заложены в конструкцию полномасштабного реактора.
• Безтритиевый реактор: Конечная цель всей этой линейки установок — создание экологически чистого термоядерного реактора, работающего на обычном дейтерии без использования радиоактивного и редкого трития.

Технические особенности Установка СМОЛА была создана в ИЯФ примерно за один год при поддержке Российского научного фонда. Ее ориентировочная стоимость составила около 10 миллионов рублей, что подчеркивает инженерную эффективность новосибирской школы физического приборостроения.

Сравнение установок ГДЛ (Газодинамическая ловушка) и СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка) отражает эволюцию подходов Института ядерной физики СО РАН к решению главной проблемы открытых ловушек — удержанию плазмы от вытекания вдоль магнитного поля.

Характеристика	ГДЛ (Газодинамическая ловушка)	СМОЛА (Спиральная магнитная открытая ловушка)
Геометрия магнитного поля	Прямое поле. Силовые линии идут строго вдоль оси установки от одного торца к другому.	Винтовое (спиральное) поле. Силовые линии закручены по спирали вокруг оси установки.
Принцип удержания (основная идея)	Газодинамический. Плазма в центральной секции удерживается как газ в сосуде с очень узким горлышком. Магнитные пробки на концах сильно сужают сечение для вытекания, но поле остается прямым.	Винтовое (геликоидальное) удержание. Искривление силовых линий заставляет частицы двигаться по дуге. Это увеличивает путь частицы до стенки и создает центробежные силы, которые «отжимают» плазму от области потерь и заставляют ее вращаться.2 источника
Способ борьбы с продольными потерями	Статическое сужение. Уменьшение «горлышка» (магнитной пробки). Поток плазмы тормозится только за счет того, что ему физически трудно протиснуться через узкое отверстие.	Активное управление потоком. Винтовое поле создает «трение» и вращение. Плазма не просто течет, а закручивается, что подавляет турбулентность и в несколько раз (по экспериментальным данным — в пять и более раз) снижает продольный поток частиц.2 источника
Роль в программе ИЯФ	Базовая, эталонная установка. Демонстрирует стабильное удержание плазмы с высоким давлением (β ≈ 0,6) и температурой до 10 млн градусов. Служит физическим фундаментом.	Экспериментальный полигон для новых идей. Это «маленький стенд для проверки концепций». Результаты на СМОЛЕ должны подтвердить, что винтовое поле эффективно для горячей плазмы, прежде чем закладывать этот принцип в большой реактор.
Текущие результаты	Стабильный нагрев плазмы до 10 млн градусов (ионов).	Экспериментально доказано подавление продольного потока. Ожидаемая температура ионов при полном масштабе — до 500 тысяч градусов (50 эВ); достигнуты температуры ионов около 70 тысяч градусов.

Главное различие в физике процесса: Если ГДЛ — это попытка удержать плазму, просто «заткнув дыры» в трубе очень мощными пробками, то СМОЛА — это попытка заставить плазму внутри трубы вращаться и двигаться по спирали.

В ГДЛ удержание достигается за счет геометрии (сужения), а в СМОЛЕ — за счет динамики (силы Лоренца, возникающей при движении по искривленной траектории). Успех СМОЛЫ крайне важен для проекта ГДМЛ (Газодинамической многопробочной ловушки): если винтовое удержание докажет свою эффективность, оно станет одним из ключевых элементов будущего термоядерного реактора, позволяя отказаться от чрезмерно длинных многопробочных секций в пользу более компактных винтовых модулей.

 

 

Исследования взаимодействия плазмы с поверхностью  изучают взаимодействие на границе раздела между плазмой и материалами.

В фокусе исследований - теоретическая и экспериментальная поддержка разработки и валидации материалов, обращенных к плазме, для термоядерного эксперимента ITER и будущих устройств.

Взаимодействие плазмы и поверхности относится к сложным физическим, химическим и механическим процессам на границе раздела между плазмой и твердыми поверхностями. Эти взаимодействия являются критической проблемой для термоядерных реакторов, поскольку они определяют срок службы и производительность компонентов, обращенных к плазме (PFC), которые подвергаются воздействию высокого тепла и потоков частиц. Смягчение последствий взаимодействия плазмы с поверхностью необходимо для практической реализации ядерного синтеза в качестве чистого, устойчивого и безопасного источника энергии.

Взаимодействие плазмы с поверхностью включает в себя несколько явлений, в том числе напыление, ионную имплантацию, радиационное повреждение, эрозию, осаждение и повторное осаждение материала. Потоки энергии и частиц в плазме могут изменять свойства поверхности, такие как состав, структура, шероховатость и температура, что, в свою очередь, влияет на поведение плазмы. Взаимодействие между плазмой и КРМ сильно зависит от параметров плазмы, таких как плотность, температура и поток частиц, а также от свойств материала КРМ, таких как состав, площадь поверхности и геометрия.

В термоядерных устройствах с магнитным удержанием, таких как токамаки и стеллараторы, взаимодействие плазмы с поверхностью происходит в основном в области дивертора, где плазма выводится из конфайнментного объема для снижения тепловой нагрузки и нагрузки частиц на КРМ. Диверторная область предназначена для увеличения радиационных потерь плазмы путем введения примесей с низким и средним Z, таких как азот, неон, аргон, бор или литий, которые испускают излучение в видимом и ультрафиолетовом диапазоне. Радиационные потери охлаждают плазму и создают слой буферного газа, который уменьшает потоки тепла и частиц на КРМ. Выбор примесей зависит от их радиационных характеристик и совместимости с термоядерной средой.

Взаимодействие плазмы с поверхностью до сих пор не до конца изучено, и остается несколько проблем в прогнозировании и контроле его эффектов. Граница раздела плазма-поверхность представляет собой сложную и динамичную систему, в которой задействованы многочисленные масштабы, от атомного до макроскопического, и широкий спектр физических и химических процессов. Оптимизация режимов взаимодействия плазмы с поверхностью и разработка передовых КРП требуют создания точных моделей и диагностики.

Исследование материалов для установок управляемого термоядерного синтеза (УТС) — это одна из самых сложных и критически важных задач на пути к созданию коммерческой термоядерной электростанции. Плазма внутри реактора находится при температуре более 100 миллионов градусов, и ни один материал не может выдержать прямой контакт с ней. Поэтому удержание плазмы осуществляется магнитным полем, однако первая стенка реактора, дивертор и бланкет все равно подвергаются экстремальным нагрузкам.

1. Экстремальные тепловые нагрузки: На поверхность дивертора (устройства для отвода тепла и «золы» из плазмы) в ИТЭР и будущих реакторах DEMO будет воздействовать тепловой поток до 10–20 МВт/м². Для сравнения: теплозащитная плитка космического челнока «Буран» выдерживала около 0,1 МВт/м².
2. Нейтронное облучение: В реакции дейтерий-тритий (D-T) выделяется огромное количество быстрых нейтронов (14,1 МэВ). Они проникают вглубь конструкционных материалов, вызывая их радиационное охрупчивание, распухание и изменение химического состава (трансмутацию). Материалы буквально «разваливаются» изнутри под действием нейтронной бомбардировки.
3. Эрозия и осаждение: Плазма постоянно «смывает» атомы со стенки (эрозия). Эти атомы ионизируются, уносятся вглубь плазмы, охлаждают её, а затем снова оседают на стенках в других местах, создавая многослойные композитные структуры, свойства которых непредсказуемы.
4. Наработка трития: Стенки реактора (бланкет) должны не только защищать конструкцию, но и производить новое топливо. Литий, содержащийся в бланкете, под действием нейтронов делится, порождая тритий. Материал должен обеспечивать эффективный отвод тепла для этого процесса.

Тип материала	Применение в реакторе	Особенности и проблемы
Вольфрам	Первая стенка и дивертор.	Самый тугоплавкий металл (3422 °C). Отлично выдерживает тепловые нагрузки. Главный недостаток — высокий заряд ядра (Z=74). Если даже микрограммы вольфрама попадут в центр плазмы, они мгновенно «высосут» из неё всё тепло через рентгеновское излучение. Требует идеальной герметичности и систем кондиционирования стенки.
Бериллий	Первая стенка токамака ИТЭР.	Имеет низкий заряд ядра (Z=4), поэтому при попадании в плазму он «убивает» её температуру гораздо медленнее, чем вольфрам. Однако бериллий токсичен (пылевая токсичность), хрупок и имеет низкую температуру плавления. В проекте ИТЭР в 2024–2025 годах было принято решение о пересмотре материалов и постепенном переходе на вольфрам из-за проблем с коррозией и безопасностью бериллия.
Ванадиевые сплавы (V-Cr-Ti)	Конструкционные материалы (корпус бланкета).	Практически не активируются под действием нейтронов (не превращаются в долгоживущие радиоактивные изотопы), что упрощает утилизацию реактора. Выдерживают высокие температуры. Требуют работы в условиях очень глубокого вакуума, так как быстро окисляются на воздухе.
Силкарды (SiC/SiC)	Конструкционные материалы для высокотемпературных бланкетов.	Композиты из карбида кремния. Легкие, прочные, радиационно-стойкие, работают при температурах до 1000 °C. Проблема — сложность изготовления крупных герметичных деталей и деградация свойств при облучении выше определенных доз.
Литийсодержащие материалы	Бланкет-размножитель.	Жидкие металлы (литий, литиевый свинец) или твердые керамики с литием. Литий необходим для наработки трития. Исследуется проблема взаимодействия жидкого металла с магнитным полем и плазмой (возникновение вихревых токов и МГД-неустойчивостей).

Российская программа исследований материалов В России исследования материалов для УТС ведутся в рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий» и проекта создания токамака с реакторными технологиями (ТРТ).2 источника

• Испытательные стенды: Поскольку ИТЭР еще не запущен, материаловеды используют другие источники интенсивных нейтронных потоков. В частности, для этих целей в ИЯФ СО РАН и других центрах исследуются возможности открытых ловушек (ГДЛ, ГОЛ-3) и плазменных ускорителей (например, установки «Ангара-5-1» в ГНЦ РФ ТРИНИТИ) для имитации воздействия плазмы и нейтронов на образцы.2 источника
• Проект ТРТ: При создании отечественного токамака с реакторными технологиями планируется использовать накопленный опыт ИТЭР. Особое внимание уделяется разработке вольфрамовых материалов первой стенки и системам их защиты от расплавления при срывах плазмы (дисрупциях).2 источника
• Комплексный подход: Исследования включают не только выбор состава, но и разработку технологий сварки, аддитивного производства (3D-печати) сложнолегированных сплавов и методов неразрушающего контроля.

 

 Российская стратегия делает ставку на интеграцию инновационных технологий: ВТСП-магнитов, новых ванадиевых и композитных конструкционных материалов, а также гибридных схем, что должно позволить создать конкурентоспособную термоядерную

• Достоинство токамака: замкнутость траекторий частиц (плазма движется по кругу, что само по себе мешает ей вылететь).
• Простоту открытой ловушки: отсутствие необходимости пропускать через плазму огромный электрический ток и использовать сложную систему полоидальных катушек для управления формой разряда.

• В токамаках β обычно не превышает 0,05–0,1. При попытке поднять давление плазмы выше развиваются разрушительные неустойчивости.
• В классической газодинамической ловушке ГДЛ достигнуты значения β ≈ 0,6.
• В установке КОТ физики планируют достичь β ≈ 1. Это означает, что давление плазмы сравняется с давлением удерживающего магнитного поля, что является теоретическим пределом эффективности использования магнитной системы.

Параметр	Токамак	КОТ (Компактный осесимметричный тороид)
Магнитная система	Экстремально высокая сложность. Требуется два набора катушек: тороидальные (огромный «бублик») и полоидальные (сложная система колец и вертикальных стержней для управления формой плазмы). Катушки должны быть изготовлены с микронной точностью.	Низкая сложность. Используются только прямые соленоиды (магнитные «палки»), проходящие через центр тора. Геометрия проста, не требует создания сложных магнитных поверхностей.
Создание тока в плазме	Обязательное условие. Необходимо наличие индуктора (трансформатора) для наведения огромного тока (миллионы ампер) внутри самой плазмы. Это делает токамак импульсным устройством (ток нельзя поддерживать вечно) и требует сложной системы центрального соленоида.	Отсутствует. Плазма удерживается только внешним магнитным полем. Через неё не нужно пропускать ток, что исключает необходимость в мощном центральном индукторе и упрощает систему питания.
Механическая прочность	Критическая. Огромное электромагнитное давление (силовые линии стремятся разорвать «бублик» изнутри) требует создания массивной стальной бронированной конструкции криостата и сложной системы натяжения катушек.	Умеренная. Магнитная система симметрична и растянута. Отсутствуют разнонаправленные силы, разрывающие конструкцию, характерные для D-образных катушек токамака.
Топология поля	Трехмерная и сложная. Необходимо создавать и поддерживать идеальные магнитные поверхности. Малейшая ошибка в геометрии катушек приводит к неустойчивостям.	Осесимметричная (2D). Магнитное поле обладает простой осевой симметрией. Это значительно упрощает расчеты, проектирование и диагностику плазмы.
Доступ для диагностики	Ограничен. Сложная паутина катушек и стальной кожух оставляют лишь узкие «окна» для ввода датчиков.	Высокий. Прямые катушки и отсутствие центрального соленоида оставляют много свободного пространства вокруг плазмы для размещения диагностик.

• Пробег частиц: При энергии 500 кэВ нейтральные атомы глубоко проникают в плотную плазму, прежде чем ионизироваться. Это позволяет нагревать именно центральную часть «бублика», где происходит термоядерная реакция, а не только его края.
• Ток пучка: Для реактора масштаба ИТЭР или ТРТ требуется ввод десятков мегаватт мощности. Чтобы получить такую мощность при высоком напряжении, нужны пучки с током около 1 А и выше.

1. Источник: Создается поверхностно-плазменный источник, где атомы водорода не теряют, а приобретают лишний электрон (обычно с помощью осаждения цезия на стенках камеры).
2. Ускорение: Отрицательный ион легко ускоряется до 500 кэВ.
3. Нейтрализация: На выходе из ускорителя пучок проходит через камеру с натеканием газа. Отрицательный ион легко отдает лишний электрон (обдирка) и превращается в быстрый нейтральный атом (H⁰), который уже не чувствует электрического поля и свободно летит в плазму. Эффективность этого процесса составляет 85–95%.

• Параметры: Энергия частиц — 500 кэВ, ток — 1 А, мощность — более 20 МВт (в импульсе).2 источника
• Особенности конструкции: Одной из главных проблем является «пробой» высокого напряжения из-за примесей. В российском инжекторе реализовано отделение ионного источника от ускорителя переходной областью с интенсивной вакуумной откачкой. Это очищает пучок от электронов и паров цезия, позволяя стабильно держать высокое напряжение.2 источника
• Результаты: Прототип показал длительность работы пучка до 30 секунд. Для полноценного реактора требуется длительность импульса 100 секунд и более, но достигнутый результат подтверждает работоспособность технологии и возможность её масштабирования.

Применение Разрабатываемый инжектор предназначен в первую очередь для отечественного проекта Токамака с реакторными технологиями (ТРТ), который планируется построить в ГНЦ РФ ТРИНИТИ (входит в Росатом). Также технологии ИЯФ традиционно используются в международных проектах: ИЯФ СО РАН является поставщиком систем нейтральной инжекции для установок по всему миру.

Фотонная ловушка — это устройство, предназначенное для длительного удержания (накопления) света (фотонов) в ограниченном объеме пространства. В зависимости от области науки, этот термин может относиться как к макроскопическим оптическим установкам, так и к квантовым системам.

Фотонная ловушка Института ядерной физики СО РАН (прикладная физика)

Наиболее активно это направление развивается в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск). Здесь фотонная ловушка создается не ради фундаментальной квантовой физики, а для решения конкретной технологической задачи термоядерного синтеза — нейтрализации мощных пучков отрицательных ионов.

Проблема: Для нагрева плазмы в будущих реакторах (таких как ИТЭР или российский ТРТ) нужны пучки нейтральных атомов с энергией 500–1000 кэВ. Чтобы получить нейтральный атом, нужно взять отрицательный ион (водород с лишним электроном) и «оторвать» этот лишний электрон. Обычно для этого используют газовые мишени, но при энергиях выше 150 кэВ их эффективность падает (часть ионов просто пролетает насквозь, не потеряв электрон). При энергии 1 МэВ газовая мишень позволяет нейтрализовать не более 60% ионов.

Решение (Фотонная мишень): Свет (фотоны) определенной энергии может выбивать электроны из отрицательных ионов гораздо эффективнее газа. Однако для этого нужна огромная плотность фотонов. Создавать её с помощью обычных лазеров слишком дорого и сложно.

Конструкция ловушки ИЯФ: Ученые предложили использовать аналогию с магнитными плазменными ловушками (открытыми ловушками). Устройство представляет собой:

1. Обычный волоконный лазер (источник света).
2. Два вогнутых зеркала, расположенных строго друг напротив друга.

Фотоны от лазера попадают между зеркал и начинают отражаться от них, как мячики в коробке. Поскольку зеркала вогнутые, они постоянно «возвращают» фотоны обратно в центр. Фотоны совершают около 1000 отражений, прежде чем поглотиться, и живут в ловушке около 100 наносекунд. Это создает высокую плотность световой энергии (фотонную мишень) без использования сложных резонансных оптических резонаторов.2 источника

Результат: В созданной модели (размером 25х5х5 см) исследователям удалось достичь рекордной эффективности нейтрализации пучка — 98%. Это значительно превышает пределы газовых нейтрализаторов.

Фотонная ловушка в квантовой оптике (фундаментальная физика)

В квантовой физике под фотонной ловушкой понимают устройство для удержания единичных квантов света для их взаимодействия с одиночными атомами.

Самый известный пример — полость Фабри — Перо. Это два зеркала высочайшего качества, расположенные на расстоянии в доли миллиметра друг от друга. Коэффициент отражения таких зеркал достигает 99,999%.

• Если в такую ловушку «впустить» один фотон, он будет отражаться между зеркалами тысячи и миллионы раз.
• В пространство между зеркалами запускают одиночный атом (часто в так называемом ридберговском состоянии — когда электрон находится очень далеко от ядра и атом становится огромным).
• Фотон и атом «встречаются» многократно. Этого времени достаточно, чтобы произошло сильное взаимодействие: фотон может изменить состояние атома, а атом — фазу фотона. Это используется для создания квантовых компьютеров, квантовой памяти и телепортации состояний.

Итог: Если в ИЯФ СО РАН фотонная ловушка — это «световой бильярд» сантиметровых масштабов для мощного инженерного процесса, то в квантовой оптике — это микроскопическая «тюрьма» для одиночного фотона, позволяющая изучать фундаментальные законы взаимодействия света и материи

Теоретический отдел Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН — это одно из ключевых подразделений института, которое обеспечивает математическую и физическую базу для всех экспериментальных направлений. Работа теоретиков ИЯФ охватывает широкий спектр задач: от квантовой теории поля до физики плазмы.

1. Физика высоких энергий и элементарных частиц: Теоретики ИЯФ тесно связаны с работой коллайдеров комплекса ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М. Они занимаются расчетом сечений рождения частиц, анализом данных экспериментов с детекторами КМД-3 и СНД, а также работают в международной коллаборации Belle II.
• Пример 2025 года: Заведующий отделом доктор физ.-мат. наук Александр Мильштейн и старший научный сотрудник Сергей Сальников разработали модель, объясняющую рождение «припороговых» резонансов. Они доказали, что аномальная зависимость вероятности рождения частиц от энергии вблизи порога реакции объясняется их взаимодействием в конечном состоянии.
• Вычислительные методы: В 2025 году сотрудники отдела разработали новый алгоритм преобразования систем дифференциальных уравнений к эпсилон-форме. Это позволяет с высокой точностью рассчитывать многопетлевые поправки в квантовой электродинамике, что критически важно для интерпретации данных с коллайдеров.
2. Физика плазмы и термоядерный синтез: Теоретический отдел играет ведущую роль в проектировании и интерпретации экспериментов на открытых магнитных ловушках (ГДЛ, ГОЛ-3, СМОЛА, КОТ, ГДМЛ).
• Теоретики рассчитывают устойчивость плазмы, предсказывают развитие микронеустойчивостей и разрабатывают методы их подавления (например, концепцию «вихревого удержания» или винтового удержания на СМОЛЕ).
• Они моделируют процессы нагрева плазмы мощными пучками нейтральных атомов и СВЧ-излучением, а также занимаются физикой пристеночной плазмы.
3. Ускорительная физика: Расчет динамики пучков, эффектов встречи в коллайдерах, разработка новых методов охлаждения пучков и повышение светимости ускорителей — традиционная область компетенции теоретиков ИЯФ.

Руководство и структура Руководителем теоретического отдела является доктор физико-математических наук Александр Мильштейн. Деятельность отдела ежегодно подробно освещается на Научных сессиях ИЯФ. В 2025 году с докладом о работе отдела выступал П. А. Крачков.2 источника

Теоретический отдел ИЯФ СО РАН известен не только в России, но и во всем мире. Его сотрудники регулярно решают задачи, которые изначально кажутся требующими «новой физики» за пределами Стандартной модели, но в итоге находят элегантное объяснение в рамках известных законов, уточняя фундаментальные константы и параметры известных взаимодействий.

Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) является одним из ключевых участников проекта ИТЭР (ITER) от Российской Федерации. Вклад института носит преимущественно инженерно-технологический характер и сосредоточен на создании сложнейшего диагностического оборудования и систем защиты реактора.

1. Разработка и производство диагностических портов (Port Plugs): Это самый масштабный и сложный вклад ИЯФ. Порт-плаг — это массивный стальной модуль весом в десятки тонн, который вставляется в стенку вакуумной камеры токамака. Он выполняет две функции:
• Защита: Поглощает поток нейтронов и тепловое излучение из плазмы, защищая сверхпроводящие магниты.
• Диагностика: Содержит каналы для десятков датчиков, которые «заглядывают» в плазму. ИЯФ СО РАН выступает основным поставщиком четырех диагностических портов: верхних (№ 02, 07, 08) и экваториального (№ 11). В 2024–2025 годах институт завершил изготовление и сборку защитных модулей для этих портов, включая глубокое сверление массивных стальных деталей и производство опорных рам.2 источника
2. Создание диагностических систем: ИЯФ разрабатывает и изготавливает ключевые приборы для измерения параметров плазмы:
• Диверторный монитор нейтронного потока (ДМНП): Прибор для измерения мощности нейтронного излучения в самой горячей зоне реактора (у дивертора). В 2025 году ИЯФ изготовил первые «первоплазменные элементы» ДМНП — коммутационные коробки, которые будут установлены непосредственно на теле вакуумной камеры.
• Вертикальная нейтронная камера: Система для измерения общего выхода термоядерной мощности.
• Анализатор атомов перезарядки (Charge Exchange Recombination Spectroscopy, CXRS): Сложная оптическая система, которая измеряет температуру, скорость вращения и состав ионов в плазме, анализируя свет, излучаемый при захвате электронов атомарным пучком.
3. Разработка систем нагрева (инжекторы нейтральных атомов): Хотя создание полномасштабного инжектора для ИТЭР (мощностью 1 МВт, энергией 1 МэВ) является международной задачей, ИЯФ СО РАН играет в ней фундаментальную роль. Институт является мировым лидером в разработке атомарных инжекторов.
• В ИЯФ созданы прототипы и испытаны ключевые узлы для систем нейтрализации. В частности, именно в Новосибирске разрабатываются технологии получения пучков отрицательных ионов, которые необходимы для создания инжекторов такого масштаба.
• Опыт ИЯФ в создании 500 кэВ инжекторов напрямую используется при проектировании систем нагрева ИТЭР.

Организационная роль Координацию работ в России осуществляет Частное учреждение ГК «Росатом» «Проектный центр ИТЭР», однако непосредственное проектирование, расчеты и изготовление оборудования ведут научные институты. ИЯФ СО РАН, благодаря своим уникальным компетенциям в области вакуумных технологий, ускорителей и физики плазмы, стал незаменимым звеном в международной кооперации

ГДМЛ (Газодинамическая многопробочная ловушка) — это проект установки нового поколения для удержания термоядерной плазмы, который разрабатывается в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск). Это наиболее амбициозный проект ИЯФ в области управляемого термоядерного синтеза (УТС), призванный доказать жизнеспособность альтернативы токамакам.

Суть проекта и его статус (2025–2030 гг.) В 2025 году команда из более чем 60 ученых и инженеров завершила эскизный и технический проекты ключевых узлов установки. Создание ГДМЛ планируется в рамках федерального проекта «Технологии термоядерного синтеза» в период с 2025 по 2030 год. Стоимость проекта оценивается в 10,4 млрд рублей.3 источника

Физический принцип ГДМЛ относится к открытым магнитным ловушкам (пробкотронам). В отличие от токамаков, где плазма удерживается в «бублике» замкнутыми силовыми линиями, в ГДМЛ поле открыто, а плазма запирается на концах мощными магнитными пробками.

• Газодинамический режим: В центральной секции плазма удерживается как газ в сосуде с узким горлышком.
• Многопробочное удержание: На концах установки (в расширителях) вместо одной пробки создается целая серия из множества магнитных пробок. Это создает «трение» для плазмы, резко замедляя её продольный отток и увеличивая время жизни в ловушке.

1. Топливо: ГДМЛ проектируется для работы на чистом дейтерии (D-D реакция). В токамаках (включая ИТЭР) используется смесь дейтерия и трития. Тритий редок, дорог и радиоактивен, его производство в мире составляет всего несколько килограммов в год. Дейтерий дешев и в огромных количествах содержится в морской воде.2 источника
2. Экологичность: Реакция D-D дает гораздо меньше нейтронов, чем D-T. Это снижает наведенную радиоактивность стенок реактора и упрощает проблему обращения с радиоактивными отходами.
3. Инженерная простота: Открытая ловушка — это, по сути, прямая труба с магнитами на концах. Она не требует создания сложнейшего D-образного тороидального поля и огромного центрального соленоида, как токамак. Это делает конструкцию потенциально в разы дешевле.
4. Высокий параметр β: В открытых ловушках отношение давления плазмы к давлению магнитного поля может достигать 0,5–1,0, тогда как в токамаках оно ограничено 0,05–0,1. Это означает более эффективное использование магнитов.

• Длина: 30 метров.
• Магнитное поле: 1,5 Тесла в центральной секции и 16–20 Тесла в магнитных пробках. Создание пробок с таким полем — одна из сложнейших инженерных задач проекта, находящаяся на пределе возможностей современной техники (используются низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники).2 источника
• Температура: Планируется достижение температуры плазмы до 150 млн градусов (15 кэВ и выше).2 источника
• Нагрев: Осуществляется за счет мощной инжекции пучков нейтральных атомов (развитие технологий, отработанных на установке ГДЛ) и дополнительного СВЧ-нагрева (гиротронами).

Значение проекта ГДМЛ должна стать физическим прототипом для создания компактного термоядерного реактора на основе открытой ловушки (проект Voyager, который также курирует ИЯФ совместно с компанией «СуперОкс»). Кроме энергетики, технологии ГДМЛ рассматриваются как основа для создания мощных плазменных двигателей для космических аппаратов.