قبل 60 عامًا، في مارس 1965، بدأ تشغيل توكاماك يحمل اسم T-6. وتم تشغيل نسخته المطورة T-11 قبل 50 عامًا. وقد تم تعديل T-11 مرة أخرى وما زال قيد التشغيل في معهد ترويتسك للبحث الابتكاري والحراري النووي (TRINITI)، حيث يُستخدم لاختبار حلول متقدمة لتكنولوجيا الاندماج النووي.

كما هو واضح من الاسم، لم يكن T-6 هو التوكاماك الأول أو الأخير الذي تم بناؤه. ومن الجدير بالذكر أن النقاش الأول حول استخدام الاندماج النووي الحراري المنضبط (CTF) لإنتاج الطاقة التجارية يحتفل أيضًا بذكرى هذا العام. كان ذلك في عام 1950 عندما كتب الرقيب الشاب أوليغ لافرينتيف، الذي كان حينها يؤدي خدمته العسكرية في ساخالين، رسالة إلى اللجنة المركزية للحزب الشيوعي السوفيتي. استعرضت الرسالة فكرتين، إحداهما كانت مخصصة لـ CTF. اقترح أوليغ لافرينتيف تصميم مفاعل يعزل البلازما العالية الحرارة باستخدام مجال كهربائي عالي الجهد. وتم تمرير الرسالة إلى الفيزيائيين النوويين، الذين لاحظوا أصالة وجرأة فكرة المؤلف.

تم اقتراح فكرة أكثر قابلية للتطبيق لمفاعل اندماج دائري مع احتجاز بلازمي مغناطيسي من قبل أندريه ساخاروف وإيغور تام، وتمت الموافقة عليها في يناير 1951. تم تجميع أول تركيب في نفس العام، وكان عبارة عن حلقة زجاجية في غلاف نحاسي سميك.

افترض الباحثون أن البلازما ستسخن بفعل التيار المتدفق خلالها، وأنها ستظل بعيدة عن ملامسة الجدران بفضل تيارات الدوامة المحفزة في الغلاف النحاسي. في عام 1957، اقترح إيغور غولوفين، أحد طلاب إيغور كورتشاتوف، تسمية نظام CTF الذي طوره العلماء السوفيت باسم “توكاماك”. وهذه الكلمة هي اختصار روسي تعني “غرفة على شكل حلقة مع لفائف مغناطيسية”.

تنافس مفهوم التوكاماك مع مفهوم الاستلرلاتور خلال تلك الفترة. وقد أضاف مؤتمر دولي حول CTF عُقد في نوفوسيبيرسك عام 1968 وضوحًا إلى هذا الموضوع، حيث قدم العلماء السوفيت تقارير عن النتائج التجريبية التي تحققت في التوكاماك، والتي تفوقت بكثير على تلك التي تم الحصول عليها في أنواع أخرى من المنشآت. وبعبارة مجازية، كانت تقاريرهم بمثابة “انفجار حراري نووي” فكري.

بعد ذلك، تم بناء التوكاماك في العديد من الدول حول العالم، حيث أصبح رائدًا في مجال الأبحاث المتعلقة بالاندماج الحراري النووي. فقد قام الاتحاد السوفيتي وحده ببناء 21 توكاماك بين عامي 1960 و1988، وتم نقل بعض منها إلى دول أخرى. علاوة على ذلك، يُعتبر المفاعل التجريبي الدولي للاندماج الحراري (ITER) أيضًا توكاماك، وهو مصمم لإثبات إمكانية الاندماج الحراري التجاري.

صُممت وحدة توكاماك T-6 بواسطة فلاديمير موكهوفاتوف، باحث مبتدئ في معهد كورتشاتوف، والذي أصبح لاحقًا فائزًا بجائزة الدولة السوفيتية. صُممت محطة T-6 لتوليد حقل مغناطيسي على شكل حلقة بشكل سلس للغاية (غير مموج). وكانت تحتوي على غلاف نحاسي مستقر داخل غرفة التفريغ، قريب جدًا من البلازما، مما أتاح للمحطة العمل عند أقصى تيارات وأدنى هوامش استقرار، واستخدمت لدراسة استقرار البلازما بشكل مفصل.

في عام 1975، تم تحديث الوحدة وتغيير اسمها إلى  11T -. استخدم التوكاماك المحدث لإجراء تجارب على تسخين إضافي للبلازما من خلال حقن شعاع من الذرات المحايدة السريعة. كانت هذه الخطوة مهمة، إذ أصبح التسخين الإضافي للبلازما في التوكاماك تحديًا جديدًا في ذلك الوقت. أظهرت الحسابات أن أقصى درجة حرارة يمكن تحقيقها بالتسخين التقليدي كانت أقل بمرتين إلى ثلاث مرات من تلك المطلوبة للتفاعل الحراري النووي المكثف. كما أظهرت فكرة حقن الذرات المحايدة نتائج إيجابية.

في عام 1985، تم تفكيك التوكاماك ثم إعادة تركيبه بعد ترميمه، وبفضل جهود عالم الفيزياء الروسي الشهير إ.أ. عزيزوف، أعيد تثبيته تحت اسم T-11M بهدف حل المهام التشخيصية. تُعد T-11M في معهد TRINITI حاليًا واحدة من ثلاث منشآت تعمل على احتواء البلازما المغناطيسية في روسيا. وتعمل كمرفق لدراسة المواد القادرة على معالجة مشكلة “الجدار الأول”، واختبار إمكانياتها كمواد مواجهة للبلازما في ظروف حقيقية.

كان النجاح الكبير الأول هو استخدام الكاربوران كمادة بورنة لجدار جميع التوكاماك الروسية وبعض الأجنبية بهدف تقليل مستوى الشوائب. أما النجاح الثاني فهو استخدام الليثيوم والأنظمة الشعرية المسامية لنفس الغرض.

وفقًا للمعايير الحديثة، تعتبر T-11M متواضعة جدًا من حيث الأداء، حيث تصل تيارات البلازما فيها إلى 0.1 MA، ودرجة حرارة الإلكترونات البلازمية تصل إلى 500 eV، وكثافة البلازما القصوى تبلغ 7 x 10^13 cm³. ومع ذلك، فإن هذه المعايير كافية لدراسة تفاعلات البلازما مع جدار التوكاماك ومواد الجدار الأول، وتطوير وسائل الحماية للجدار الأول، ودراسة عمليات انقطاع البلازما، وتجربة أساليب جديدة لتشخيص البلازما.

حاليًا، يتم تطوير درع من الليثيوم السائل لتوكاماك

11M T-، وهو ضروري لالتقاط الجزيئات القادمة من البلازما، مما يقلل من التأثير الحراري على الجدار. في عام 2022، تمكن باحثو TRINITI من ملء نظام الانبعاث في T-11M بالليثيوم من الخارج دون الحاجة لتفريغ الحجرة، وهو إنجاز يُعتبر من الطراز العالمي.

تُستخدم T-11M الآن لاختبار مجموعة كاملة من أنظمة الحماية من الليثيوم والمعدات لجدار المفاعل الاندماجي، بما في ذلك أجهزة واعدة مثل المحددات وجامعات الجزيئات ووسائل الحقن.

تُستخدم نتائج الاختبارات والأبحاث المتعلقة بتقنية

T-11M، لاسيما تلك المتعلقة بحماية الليثيوم السائل وتقنيات البورنة باستخدام كربيد البورون، في مرافق أكثر تعقيدًا مثل توكاماك T-15MD وتقنية المفاعلات RTT، بالإضافة إلى مشروع ITER. ومن المقرر أن يتم استخدام حماية الليثيوم السائل في تقنية RTT.