Há 60 anos, em março de 1965, o tokamak T-6 foi colocado em operação. Há 50 anos, foi lançado o tokamak T-11, uma modificação do T-6. O T-11 foi posteriormente atualizado e, sob o nome T-11M, continua a operar no Instituto Troitsk.
Cientistas do Centro Estatal de Pesquisa TRINITI da Rússia estão usando este tokamak para desenvolver tecnologias para futuras instalações de fusão nuclear.

O T-6, como o próprio nome sugere, estava longe de ser o primeiro, nem o último, da série de tokamaks. Curiosamente, este ano também marca o aniversário do primeiro debate científico sobre o uso da fusão nuclear controlada (CNF) no setor de energia.

Em 1950, o jovem sargento Oleg Lavrentiev, que estava prestando serviço militar em Sakhalin, enviou uma carta ao Comitê Central do Partido Comunista da União Soviética, na qual delineou duas ideias, uma das quais sendo especificamente dedicada à fusão nuclear controlada. Lavrentiev propôs um projeto de reator no qual o plasma de alta temperatura é isolado por um campo elétrico de alta voltagem. A carta foi enviada a físicos nucleares, que elogiaram a originalidade e a ousadia de pensamento do autor.

Uma ideia mais viável para um reator de fusão toroidal com confinamento de plasma magnético foi apresentada por Andrei Sakharov e Igor Tamm. Foi aprovado em janeiro de 1951, e a primeira instalação foi construída no mesmo ano. Era um toroide de vidro envolto em um invólucro grosso de cobre. O plasma deveria ser aquecido pela corrente que fluía através dele e mantido afastado das paredes por correntes parasitas induzidas no invólucro de cobre.

Mais tarde, em 1957, o discípulo de Igor Kurchatov, Igor Golovin, propôs chamar a instalação da fusão nuclear controlada desenvolvida por cientistas soviéticos de tokamak. O nome é uma abreviação de “câmera toroidal com bobinas magnéticas”.

O conceito toroidal competiu com o conceito de Stellarator. Entretanto, em uma conferência internacional sobre fusão nuclear controlada realizada em Novosibirsk em 1968, cientistas soviéticos apresentaram resultados experimentais obtidos com tokamaks, que foram várias ordens de magnitude superiores aos obtidos com outras instalações. Em sentido figurado, suas apresentações foram uma verdadeira “explosão termonuclear” no campo científico.

A partir de então, tokamaks começaram a ser construídos ao redor do mundo, consolidando-se como a tecnologia líder em pesquisa de fusão nuclear. Somente na URSS, entre 1960 e 1988, foram construídos 21 tokamaks, alguns dos quais foram entregues a outros países. Mas o mais importante é que o projeto internacional ITER, que busca demonstrar a viabilidade comercial da fusão nuclear controlada, também é um tokamak.

O autor da instalação do tokamak T-6 foi o jovem pesquisador do Instituto Kurchatov, futuro laureado com o Prêmio Estadual da URSS e um dos cientistas mais brilhantes do círculo intelectual de Artsimovich, Vladimir Mukhovatov. Ele projetou o T-6 como uma obra-prima de suavidade, isto é, sem ondulações no campo magnético toroidal. Ele tinha um invólucro de cobre estabilizador dentro da câmara de descarga, o mais próximo possível do plasma, permitindo que operasse com correntes máximas e margens mínimas de estabilidade. Problemas de estabilidade do plasma foram estudados em detalhes nesta instalação.

Em 1975, a instalação foi modernizada e renomeada para T-11. Experimentos específicos foram realizados em aquecimento adicional do plasma pela injeção de um feixe de átomos neutros rápidos. Isso foi crucial, pois naquela época o aquecimento adicional do plasma nos tokamaks havia se tornado um problema à parte. Os cálculos mostraram que a temperatura máxima do plasma atingível com aquecimento convencional era de 4 a 5 vezes menor do que a necessária para uma reação de fusão termonuclear intensa. A ideia de injetar átomos neutros apresentou excelentes resultados.

Em 1985, a planta foi desativada, posteriormente modernizada e relançada sob o nome de T-11M para tarefas de diagnóstico, graças aos esforços de E.A. Azizov. Atualmente, o tokamak T-11M em Troitsk é uma das três instalações ativas de confinamento magnético de plasma na Rússia e serve como um banco de testes de ciência de materiais, abordando questões-chave relacionadas à primeira parede do reator e testando novas soluções tecnológicas em condições concretas.

O primeiro grande sucesso foi a boronização por carboneto, usada para revestir a primeira parede de todos os tokamaks russos e de vários estrangeiros, reduzindo significativamente o nível de impurezas. A segunda conquista importante foi o uso de lítio em sistemas capilares porosos para a mesma finalidade.

Os parâmetros do T-11M, pelos padrões atuais, são modestos: corrente de plasma de até 0,1 mAh, temperatura do elétron do plasma de até 500 eV e densidade máxima de plasma de várias unidades por 7 × 10¹³ cm³. No entanto, essas características permitem o estudo da interação do plasma com a primeira parede do tokamak, a análise dos materiais da parede, o desenvolvimento de métodos de proteção, a investigação da dinâmica de interrupção da descarga e o desenvolvimento de novas técnicas de diagnóstico de plasma.

Um sistema de proteção de lítio líquido para tokamaks está sendo desenvolvido atualmente no T-11M. Sua função é absorver fluxos de partículas do plasma e reduzir a carga térmica na parede. Em 2022, os cientistas do instituto reabasteceram com sucesso o sistema emissor de íons de lítio do T-11M sem violar as condições de vácuo na câmara de trabalho, uma conquista de classe mundial.

Atualmente, todos os sistemas e tecnologias de proteção de lítio para a primeira parede do reator de fusão estão sendo testados no T-11M. Em particular, dispositivos e tecnologias avançadas, como limitadores, coletores e injetores, estão sendo avaliados.

Os resultados desta pesquisa no T-11M estão sendo aplicados em projetos mais complexos, como o tokamak T-15MD, o Tokamak russo com Tecnologias de Reator (TRT) e o projeto internacional ITER, no que diz respeito à boronização de paredes com carboneto de boro. Em particular, a proteção de lítio líquido está planejada para o TRT.