Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Исследовано влияние поперечного переноса в диверторной области на процесс перехода в режим детачмента и мощность излучения в диверторной области легких примесей, таких как азот и неон. Показано, что при использовании в качестве контрольного параметра плотности плазмы на сепаратрисе, поперечная диффузия практически не оказывает влияния на потери на излучение примеси, в то время как увеличение/уменьшение поперечной теплопроводности приводит к заметному увеличению/уменьшению потерь на излучение примеси при одинаковом значении плотности плазмы на сепаратрисе. Полученный результат согласуется выводами, сделанными на основе простой качественной модели. Продемонстрирована возможность одновременного существования двух устойчивых равновесий пристеночной плазмы при пропорциональном изменении количества рабочего газа и излучающей примеси, характеризующихся изменением области локализации примеси. Перескоки с одной устойчивой ветки решения на другую могут приводить к скачкообразному переходу в режим детачмента или потере детачмента в одном из диверторов. Обнаружена возможность спонтанной потери симметрии нагрузки на диверторные пластины в симметричной двухнулевой конфигурации при инжекции примесей, необходимой для обеспечения требуемого уровня излучательных потерь. Эффект связан с развитием ионизационно-конденсационной неустойчивости в диверторной плазме, в результате чего дополнительная примесь (неон) собирается преимущественно в одном из диверторов и нагрузки во втором значительно возрастают. Асимметрия в нагрузках может достигать величины 10:1 – то есть, фактически, диссипация мощности происходит только в одном диверторе, в то время как диверторная пластина во втором получает весь поток энергии, входящей в дивертор. Этот эффект ограничивает долю мощности, которая может быть переизлучена на примесях в диверторе и сужает рабочее окно параметров, обеспечивающих приемлемые условия на диверторных пластинах. Проведено исследование частотных и пространственных спектров насыщенной токово-конвективной турбулентности диверторной плазмы токамака DIII-D с целью проверки принципиальной возможности развития турбулентности диверторной плазмы с параметрами, наблюдавшимися на установке. На основе анализа пространственных спектров насыщенных турбулентных флуктуаций продольного тока в плазме, приходящего на пластины дивертора, продемонстрирована возможность сосуществования нескольких сильных турбулентных мод с частотами, близкими к экспериментально наблюдавшимся на установке. Проведен анализ влияния продольной конвекции плазмы на временные параметры насыщенной токово-конвективной турбулентности. Показано, что этот механизм приводит к выравниванию структуры частотных спектров турбулентности вдоль силовых линий магнитного поля, при этом частоты наиболее сильных мод смещаются в область более высоких частот, по сравнению с расчетами, не учитывающими конвекцию. В результате амплитуда флуктуаций продольного тока на приемных пластинах дивертора сравнивается со средним значением этой величины, что качественно согласуется с рядом результатов экспериментальных наблюдений турбулентности диверторной плазмы на токамаке DIII-D. Полученные результаты по параметрам пространственно-временных спектров турбулентности диверторной плазмы находятся в удовлетворительном согласии с результатами ряда экспериментов на установке DIII-D, что позволяет утверждать, что ТКН действительно может быть механизмом, приводящим к развитию турбулентности с параметрами, наблюдавшимися на установке. Восстановлена работоспособность блока переноса излучения водорода в коде SOLPS4.3. В блок радиационно-столкновительной модели, используемый в коде EIRENE, добавлены новые предельные случаи (в частности, полное запирание излучения в линии альфа серии Лаймана водорода). Добавлен эффект Штарка при расчете формы профиля линии испускания/поглощения. Модуль протестирован путем детального сравнения со специально разработанным кодом RADTRANSP. Сравнение результатов расчетов кодами EIRENE и RADTRANSP проводилось для квази-одномерного случая в пределе полного запирания излучения и для полупрозрачного слоя. Учитывались возбуждения первых 6 уровней дейтерия. При этом перенос считался только в одной линии (Лайман-альфа) или во всех возможных переходах для 6 уровней. Рассматривались как отражающие, так и поглощающие торцы слоя. Было продемонстрировано хорошее согласие между результатами расчетов кодами EIRENE и RADTRANSP. Проведено исследование влияния запирания излучения на переход диверторной плазмы токамака в режим детачмента. Показано, что уменьшение «цены ионизации» рабочего газа, вызванное запиранием излучения, приводит к существенному осложнению перехода в режим детачмента. В случае чистой дейтериевой плазмы на токамаке масштаба DIII-D необходимое для достижения детачмента во внешнем диверторе давление плазмы на сепаратрисе возрастает более чем на 30%.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Исследованы нестационарные режимы работы дивертора в двухнулевой конфигурации, характеризующиеся развитием колебаний основных параметров плазмы (температуры, плотности, потоков тепла и частиц и т.д.) вблизи диверторных пластин. В подобных режимах происходит периодическое накопление частиц в одном из диверторов и их сброс, что вызывает возмущения в другом диверторе, находящиеся в противофазе. Выявлены механизмы, приводящие к такого рода осцилляциям. Установлено, что они могут быть связанны как с отсутствием, в определенных условиях, устойчивого равновесия плазмы, обеспечивающего баланс давления одновременно плазмы вдоль магнитного поля и нейтралов поперёк, так и с особенностями накопления излучающей примеси (аналог радиационно-конденсационной неустойчивости). Показано, что такие колебания могут вызывать модуляцию тепловых нагрузок на диверторные пластины с глубиной порядка 2 и частотой 20-100 Гц в реакторе с однонулевым дивертором (например, ITER) и порядка 3 с той же частотой в двухнулевом (например, ДЕМО-ТИН). Существование областей параметров пристеночной плазмы, в которых могут реализовываться подобные осциллирующие решения, следует учитывать при разработке конструкции дивертора и системы его управления. Проведен анализ влияния параметров фоновой плазмы на характеристики насыщенной токово-конвективной турбулентности, которая может формироваться в плазме внутреннего дивертора токамака при работе установки во флуктуирующем режиме детачмента. Анализ выполнен с привлечением численных расчетов в коде BOUT++. Для расчетов использованы параметры плазмы и магнитного поля, сходные с параметрами токамака DIII-D, на котором недавно наблюдалось формирование низкочастотной и крупномасштабной (в тороидальном направлении) насыщенной турбулентности в плазме внутреннего дивертора в условиях, отвечающих флуктуирующему режиму детачмента. В ходе работ для проверки возможности реализации механизма токово-конвективной неустойчивости для формирования насыщенной турбулентности с параметрами, наблюдавшимися на DIII-D, а также для изучения отклика параметров турбулентных флуктуаций на изменения параметров диверторной плазмы, был выполнен ряд задач. В частности, проведена реконструкция сигнала одного из магнитных датчиков установки, расположенных вблизи приемных пластин дивертора. Обнаружено, что расчетный сигнал датчика удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами. В ходе работы также выполнен параметрический анализ пространственно-частотных спектров турбулентности и амплитуд насыщенных флуктуаций параметров плазмы (температуры, электрического тока вдоль силовых линий магнитного поля). Показано, что наибольшее влияние на параметры турбулентности оказывает изменение температуры плазмы, в то время как изменение плотности плазмы и продольного потока ионов на входе во внутренний дивертор установки почти не оказывает влияния на частотные спектры турбулентных флуктуаций (в рамках используемой модели неустойчивости). Интересно при этом влияние продольного потока ионов на пространственные спектры флуктуаций электрического тока у пластин дивертора. Обнаружено, что с увеличением потока в спектрах флуктуаций растет удельный вес мелкомасштабных возмущений, что может служить индикатором общего потока плазмы во внутренний дивертор установки в экспериментах. Исследовано влияние запирания излучения рабочего газа (дейтерия) в линии Лайман-альфа на переход диверторной плазмы в режим детачмента при наличии в пристеночном слое большого количества излучающей примеси, обеспечивающего переизлучение 50-60% приходящей в пристеночный слой мощности. Продемонстрировано, что в токамаке с углеродной первой стенкой уменьшение радиационных потерь, связанное с запиранием линии Лайман-альфа, полностью компенсируется увеличением потерь на излучение углерода. Совершенно иной результат наблюдается, если необходимый уровень переизлучения поддерживается инжектируемой примесью (обычно используются азот или неон), содержание которой в пристеночном слое контролируется системой обратных связей. Показано, что в этом случае запирание излучения оказывает существенное влияние на операционные параметры дивертора. В частности, достижение перехода в режим детачмента требует либо большей плотности плазмы на сепаратрисе (примерно на 15%), либо увеличения количества излучающей примеси в диверторе по сравнению с оптически прозрачным пределом. Полученные результаты говорят о том, что в современных токамаках с цельнометаллической первой стенкой необходимо учитывать влияние запирания линии Лайман-альфа на энергобаланс пристеночной плазмы. Разработана нульмерная модель отклика приемной пластины, покрытой жидким литием, на высокие тепловые нагрузки, включающая в себя широкий спектр физических эффектов, важных для определения параметров плазмы экранирующего слоя. Модель была использована для оценок стационарных и нестационарных нагрузок на литиевое покрытие вольфрамовой мишени дивертора в условиях токамака. Расчеты показали, что имеет место эффект насыщения потока тепла, приходящего на мишень: с ростом внешнего потока тепла, поток тепла, достигающий поверхности мишени, устанавливается на уровне примерно 8 МВт/м2. Физическая причиной такого насыщения является сильная (экспоненциальная) зависимость скорости эрозии поверхности от ее температуры. Вследствие этого, экспоненциально малое изменение температуры поверхности способно компенсировать изменение внешнего потока за счет усиления эрозии. Исследование отклика мишени на импульсные нагрузки величиной 100 МВт/м2, соответствующие ELM первого типа, ожидаемым в токамаке ITER, показали, что сильное экранировании не позволяет потоку на мишень подняться выше отметки в 40 МВт/м2. Из-за коротких времен импульса выход на стационарный режим экранирования не происходит. Сравнение скорости эрозии с скоростью возобновления поверхности существующих прототипов литиевых мишеней показывает, что выживание мишени под действием таких импульсов является проблемой.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведено моделирования экспериментов по экранированию литиевой мишени на установке Magnum-PSI. Полученные значения температуры мишени в различных режимах согласуются с экспериментальными значениями. Получены оценки коэффициента редепозиции, который составил порядка 10%, а также скорости эрозии лития, которая лежит в пределах 1÷10 скоростей испарения. Эти величины имеют большое значение для разработки контактирующих с плазмой элементов с литиевым покрытием в токамаках. В код SOLPS 4.3 добавлены новые механизмы эрозии: термическое распыление и испарение. Проведен расчет дивертора токамака Т–15МД с диверторными пластинами, покрытыми литием, с учетом термического распыления и испарения лития с поверхности нижнего внешнего дивертора. Показано, что если мощность, приносимая через сепаратрису, превышает 10 МВт, проявляется эффект экранирования, снижающий поток тепла на пластину. При этом с ростом мощности проявляется эффект насыщения, который был изучен нами ранее в нульмерной модели. Вместе с тем, расчеты показали, что экранирование сопровождается существенной эрозией лития, что приводит к заметному загрязнению основной плазмы. На основе физической модели токово-конвективной неустойчивости, учитывающей механизм поляризации плазмы в криволинейном магнитном поле, с использованием кода BOUT++ проведен численный анализ влияния геометрии магнитного поля на параметры токово-конвективной турбулентности в условиях, сходных с условиями внутреннего дивертора токамака DIII-D, работающего во флуктуирующем режиме детачмента. Проанализировано влияние кривизны силовых линий магнитного поля, длины силовой линии, соединяющей диверторные пластины и область на выходе из дивертора, шировой длины магнитного поля и температуры электронов на частоту и амплитуду мод, преобладающих в частотных спектрах турбулентности. Изучена пространственная динамика токово-конвективной турбулентности. Показано, что картина развития турбулентности аналогична результатам предыдущих групп расчетов: насыщение турбулентности сопровождается образованием мод с эффективным тороидальным номером порядка 1. В расчётах с изменяемой величиной длины силовых линий найдено, что гармоники с эффективными тороидальными номерами мод 2 и 3 могут быть связаны с высокочастотными сателлитами во временных спектрах турбулентности. На основе расчетных данных флуктуаций температуры и потенциала плазмы получены распределения турбулентных тепловых потоков и связанных с ними аномальных коэффициентов теплопроводности. Улучшено описание атомных процессов, протекающих с образованием молекулярных ионов D2+ в коде SOLPS. При помощи расчетов с использованием радиационно-столкновительной модели (Collisional Radiative Model – CRM) и современных атомных данных, получена новая аппроксимация зависимости скорости образования молекулярного иона D2+ от температуры и плотности пристеночной плазмы, корректно учитывающая роль возбужденных состояний молекул D2. Данная зависимость была добавлена в базу данных AMJUEL, используемую при моделировании атомных процессов в коде SOLPS. Использование новой зависимости скорости образования молекулярного иона D2+ от параметров пристеночной плазмы позволило существенно уменьшить разницу между расчетными и экспериментально измеренными потерями на излучение из диверторной области токамака TCV, связанными с образованием молекулярного иона D2+ и его последующим развалом. Проведено сравнение тестовых одномерных расчетов переноса излучения в Монте-Карло коде EIRENE в приближении бесконечного плоского слоя одновременно для пяти линий серии Лаймана атомов водорода с учетом уширения контура линии под влиянием эффектов Доплера и Штарка с аналогичными расчетами при помощи кода RADTRANSP. Различие между заселенностями возбужденных уровней атомов водорода, полученными в результате расчетов EIRENE и RADTRANSP, составило не более 3% при использовании одинаковых атомных данных. Хорошее совпадение результатов подтверждает надежность модуля переноса излучения в коде SOLPS. На примере тестового токамака, подобного по размеру и магнитной конфигурации токамаку DIII-D, проведено моделирование перехода диверторной плазмы в режим детачмента с учетом переноса излучения сразу трех в линиях альфа, бета и гамма серии Лаймана атомов водорода. Расчеты показали, что коэффициент запирания фотонов (отношение числа поглощенных фотонов к числу испущенных) в диверторной плазме на момент перехода внешнего дивертора в режим детачмента достигает ~90% для линии Лайман альфа, ~50% для линии Лайман бета и ~ 20% для линии Лайман гамма. Полученные результаты говорят о том, что при исследовании перехода в режим детачмента пренебрегать запиранием излучения нельзя. С другой стороны, сравнение с упрощенными моделями показало, что влияние запирания излучения на ключевые параметры работы дивертора может быть воспроизведено в рамках упрощенного подхода, использующего грубую оценку глубины запирания линии Лайман альфа атомов водорода. В то же время, корректная интерпретация данных оптических диагностик (прежде всего диагностики Н-альфа) требует детального учета переноса излучения как минимум в трех первых линиях серии Лаймана атомов водорода, так как коэффициент запирания излучения в них достаточно высок, что оказывает непосредственное влияние на заселенности возбужденных уровней.