КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-72-20076

НазваниеРазработка расчетно-экспериментальной модели плазмы-мишени прототипа компактного термоядерного источника нейтронов.

РуководительКурскиев Глеб Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г Санкт-Петербург

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые словаГибридный реактор, термоядерный источник нейтронов, сферический токамак, диагностика плазмы, нейтральная инжекция

Код ГРНТИ29.27.35, 29.27.49


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Целью проекта является развитие расчетно-экспериментальной модели плазмы-мишени прототипа компактного термоядерного источника нейтронов (ТИН) на основе экспериментального исследования на токамаке Глобус-М2 а также доступных данных установок MAST, NSTX и START. Источник высокоэнергичных нейтронов (E=14.1 МэВ) с мощностью нейтронного выхода 1 МВт может быть реализован на базе токамака с малым аспектным отношением (сферического токамака), работающего по схеме «пучок плюс плазма». В таком источнике нейтронов реакция синтеза будет происходить между высокоэнергичными ионами, образовавшимися в плазме вследствие ионизации инжектируемых атомов, с тепловыми ионами плазмы. Основными параметрами, определяющими нейтронный выход ТИН, являются: электронная температура, плотность тепловых ионов плазмы и ионов с высокой энергией. Эффективность работы источника нейтронов по схеме пучок + плазма в основном зависит от электронной температуры и концентрации тепловых ионов. Увеличение электронной температуры приводит к снижению столкновительности плазмы, поэтому рабочая область компактного источника нейтронов соответствует плазме с низкой столкновительностью. Столкновительность является одним из важнейших параметров, определяющим уровень аномального переноса поперек магнитного поля в тороидальных ловушках. Для получения низкой столкновительности в сферическом токамаке необходимо поднимать тороидальное магнитное поле, что позволит увеличить ток плазмы, время удержания энергии и эффективность дополнительного нагрева. Заявка предполагает проведение исследований, необходимых для дополнения, расширения и обобщения результатов, полученных в рамках основного срока реализации проекта. На токамаке Глобус-М2 впервые в мире было получено экспериментальное подтверждение скейлинга, предполагающего сильную зависимость времени удержания энергии от магнитного поля для сферического токамака при тороидальном магнитном поле 0,7 Тл. Предлагается уточнить, насколько достоверна дальнейшая экстраполяция полученной эмпирической зависимости в область больших значений тороидального магнитного поля, а также каким образом влияет увеличение плотности вводимой мощности инжектируемого пучка на термоизоляцию плазмы. Скейлинги для времени удержания энергии, учитывающие зависимость времени удержания энергии от размеров установки с малым аспектным отношением, на данный момент так же отсутствуют. Зависимость нормализованного времени удержания энергии от столкновительности плазмы при повышении тороидального магнитного поля в токамаке Глобус-М2 представляет значительный интерес. В рамках проекта так же предлагается провести работы по модернизации диагностики томсонового рассеяния, необходимой для измерения динамики пространственного распределения температуры и концентрации электронов в плазменном шнуре. Полученные экспериментальные данные необходимы для анализа термоизоляции плазмы и расчета коэффициентов переноса в электронном канале. Полученный результат позволит существенно улучшить понимание физических процессов нагрева плазмы в сферических токамаках при высоких значения тороидального магнитного поля и уточнить модель для расчета параметров компактного источника нейтронов, что в свою очередь значительно ускорит разработку и внедрение гибридных ядерных систем, работающих по принципу «синтез-деление». Актуальность проекта хорошо подчеркивается активностью мировых конкурентов: первая кампания на установке MAST-U (Великобритания) стартует летом 2020 года [B. Lloyd et. al., MAST Upgrade - features and status, 20 INTERNATIONAL SPHERICAL TORUS WORKSHOP October 28-31, 2019, ENEA, Frascati, Italy]. Установка NSTX-U (США) после первых многообещающих экспериментов [J.E. Menard et al Overview of NSTX Upgrade initial results and modelling highlights, 2017 Nucl. Fusion 57 102006] была закрыта в связи с аварией на ремонт с плановым запуском в 2022 [S. Kaye, NSTX-U: Recent Results and Plans, 20 INTERNATIONAL SPHERICAL TORUS WORKSHOP October 28-31, 2019, ENEA, Frascati, Italy]. Эксперименты по дополнительному нагреву на токамаке ST-40 (Великобритания) запланированы на 2020 г. [M. Gryaznevich. Faster Fusion: ST40, engineering, commissioning, first 20 INTERNATIONAL SPHERICAL TORUS WORKSHOP October 28-31, 2019, ENEA, Frascati, Italy]. В конце 2019 г. правительство Великобритании объявило о финансировании национальной программы «STEP», целью которой является создание компактного термоядерного реактора, основанного на сферическом токамаке к 2040 г. [https://ccfe.ukaea.uk/research/step/]. 16 апреля 2020 года Президентом Российской Федерации был подписан указ о развитии техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации, включающий в себя развитие и разработку технологий управляемого термоядерного синтеза. Последние два факта особенно подчеркивают актуальность реализации экспериментального проекта, посвященного нагреву плазмы на сферическом токамаке.

Ожидаемые результаты
Будет проведена модернизация диагностического комплекса томсоновского расеяния сферического токамака Глобус-М2, что позволит с хорошей точностью измерить пространственные распределния температуры и концентрации электронов и определить коэффициенты диффузии и электронной тепературопроводности, а так же поперечную энергию надтепловых частиц путем сравнения данных с результатами диамагнитных измерений. В ходе выполнения проекта будут получены знания о характере термоизоляции плазмы в режимах работы сферического токамака при высоком значении удерживающего плазму тороидального магнитного поля до 0,8 Тл. Полученные результаты будут уникальными как в отечественной, так и в общемировой практике. Таким образом, предусмотренные проектом исследования существенно расширят международную базу данных об удержании и нагреве плазмы в токамаках. В то же время на основании проведенных исследований будет уточнена расчетно-экспериментальная модель, позволяющая предсказывать параметры плазмы и нейтронный выход прототипа компактного ТИН, выполненного по схеме «пучок плюс плазма». Результаты проекта могут привести к ускорению развития и внедрения гибридных ядерных технологий и откроет возможность создать экономически эффективную гибридную систему значительно быстрее срока окончания международного проекта ИТЭР. Результаты исследований будут опубликованы в рецензируемых научных журналах, представлены на российских и международных конференциях по управляемому термоядерному синтезу и физике высокотемпературной плазмы.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На токамаке Глобус-М2 были проведены эксперименты по нагреву плазмы с помощью нейтральной инжекции (с инжектором НИ-1) в условиях при тороидальном магнитном поле 0.8 Тл и токе плазмы 0.4 МА. Мощность пучка атомов составляла 0.8 МВт, энергия частиц – 28 кэВ. Переход в Н-режим происходит около 170 мс разряда, через 10 мс после включения пучка. Энергозапас плазмы имеет практически линейную зависимость от плотности плазмы, и достигает 10 кДж согласно диамагнитным измерениям. Достоверность диамагнитных измерений подтверждается оценкой теплового энергозапаса плазмы по данным кинетических измерений (профилей температуры и концентрации электронов, измеренных методом томсоновского рассеяния, и ионной температуре по данным анализатора нейтральных частиц). Для оценки времени удержания энергии были проведены расчеты мощности нагрева плазмы нейтральным пучком, PNBI. Оценки PNBI для режимов с разной плотностью плазмы проводились с помощью орбитального (траекторного) трехмерного кода “3D fast ion tracking algorithm”. Время удержания энергии превысило 12 мс при dW/dt ≈ 0, и в данных разрядах наблюдалось улучшенное, в сравнении с предсказаниями скейлинга IPB98(y,2), удержание энергии, Н-фактор достигает значения 1.3. Также был проанализирован энергобаланс плазмы для двух типичных разрядов токамаков Глобус-М и Глобус-М2 с одинаковой средней плотностью 6.5∙10^19 м-3, но различными BT и Ip (0.2 МА и 0.4 Тл против 0.3 МА и 0.7 Тл). Температура электронов Te во всем объеме плазмы возрастает более чем в два раза, что соответствует увеличению запасенной в электронах энергии We в 2.5 раза. По данным измерений анализатора атомов перезарядки (NPA) температура ионов Ti также растет примерно в 2.5 раза. Локализация измерений Ti обеспечивалась пересечением линии наблюдения NPA и траектории пучка инжектируемых атомов в области плазмы соответствующей нормализованному малому радиусу r/a ≈ 0.3-0.4. Необходимо отметить, что запасенная в ионном компоненте энергия Wi в сумме с рассчитанной на основании экспериментальных данных We согласуется с энергозапасом, измеренным диамагнитной петлей WDIA (для BT = 0.7 Тл: We + Wi = 6 кДж, WDIA = 6.7 кДж). Получившаяся разница 0.7 кДж соответствует перпендикулярному давлению быстрых ионов Wfast, чья величина хорошо согласуется с моделированием по коду NUBEAM и с оценками, проведенными с помощью траекторного трехмерного кода. Таким образом, коэффициент температуропроводности ионов должен быть близок к значениям, предсказываемым неоклассической теорией, ограничивая тем самым роль аномального теплопереноса в ионном канале в H-режиме токамака Глобус-М2 до пренебрежимо малого значения, что соответствует результатам, полученным на токамаке Глобуса-М при более низком магнитном поле. Рассчитанные профили электронной и ионной температуропроводности (χe и χi) с помощью кодов ASTRA и NCLASS свидетельствуют об уменьшении как χe, так и χi в 2-2.5 раза по всему сечению плазменного шнура, что, в свою очередь и приводит к увеличению τE. Был проведен так называемый «безразмерный анализ», который используют для сравнения результатов, полученных на разных установках и для расширения понимания о физических процессах, влияющих на удержании энергии в плазме токамака. Наиболее важные безразмерные параметры, определяющие перенос потоков тепла поперек магнитного поля, это запас устойчивости q ∝ BT/Ip, столкновительность ν* ∝ ne/T^2, нормализованный ларморовский радиус ρ* ∝ T^0.5/BT, параметр «бета» (отношение газокинетического давления плазмы к давлению магнитного поля) βT ∝ W/BT^2. Будущие термоядерные установки должны работать в условиях значительно более низких значений ν*, чем достигнуты на сегодняшний день. В тоже время, величины q и βT будут близки к уровню, полученному в современных экспериментах. В связи с этим в первую очередь, наиболее интересна экстраполяция экспериментальных данных в область более низких ν*. Для токамаков Глобус-М/М2 зависимость нормализованного времени удержания энергии (BT*τE ) от ν* анализировалась для узкого диапазона безразмерных параметров: q = 2.5-3, ρ* = 0.025-0.033 и βT = 0.03 - 0.04. Увеличение BT на токамаке Глобус-М2 дало возможность получить более низкие значения ν* (по сравнению с предыдущими данными с установки Глобус-М при BT < 0.5 Тл), для которых зарегистрирован значительный рост нормализованного времени удержания энергии BT*τE ∝ ν*^-1.1±0.1. При уменьшении ν*, ее показатель степени в скейлинге растет по абсолютной величине с 0.46 для данных с Глобуса-М до 1.1 для Глобуса-М2 (BT*τE ∝ ν*^-1.1±0.1). Необходимо отметить, что полученные результаты демонстрируют усиление зависимости BT*τE от ν* в области малых ν* для сферических токамаков, тогда как для токамаков с большим аспектным отношением эта зависимость слабеет и стремится к BT*τE ∝ ν*^-0.01. Проведена модернизация диагностического комплекса томсоновского рассеяния (ТР), а также его подготовка к проведению эксперимента. Обеспечено проведение лазерного пучка от источника (импульсный лазер с диодной накачкой «ЛОС 330») из комнаты в подвальном помещении до токамака. Обеспечена его фокусировка в области сбора света объективом диагностики ТР. Были проведены измерения поперечного размера лазерного пучка вдоль хорды зондирования. Во всей области наблюдения вертикальный размер проекции оптоволоконной сборки превышает поперечный размер лазерного пучка, что позволяет эффективно собирать рассеянное излучение из плазмы. Измерения проводятся в 10 пространственных точках, расположенных со стороны слабого магнитного поля до магнитной оси r/a = 0.9 - (-0.15) (отрицательное значение нормализованного малого радиуса соответствует области плазмы со стороны сильного магнитного поля). Проведена юстировка системы сбора света, калибровка и настройка спектрометров, подготовлено программное обеспечение для обработки данных и управления диагностикой. Получены первые предварительные данные о пространственных распределениях электронной температуры Те и плотности ne в омическом режиме нагрева плазмы. Диагностические возможности комплекса позволяют достоверно определять как тепловой энергозапас электронного компонента плазмы, так и градиенты Te и ne необходимые для моделирования транспортных процессов в плазме и определения коэффициентов переноса. Измерен профиль мощности и компонентный состав пучка для инжектора НИ-2. Ширина пучка составляет 11 см по уровню мощности 1/е. Было определено, что 62,9% относительной доли переносимого тока в атомарном пучке приходится на компонент с основной энергией, на компонент с энергией Е/2 – 25,2%, на компонент с энергией Е/3 – 9,6%, а на компонент с энергией Е/18 – 2,3%. Пучок атомов с полученными параметрами может быть использован для нагрева плазмы в токамаке Глобус-М2. Полученные характеристики будут использованы для моделирования удержания быстрых ионов в плазме и расчете мощности нагрева плазмы нейтральным пучком.

 

Публикации

1. - Впервые в мире термоядерную плазму протестировали в токамаке нового поколения Naked Science, - (год публикации - ).

2. - На термоядерном реакторе нового поколения успешно разогрели плазму Наука - ТАСС, - (год публикации - ).

3. - Впервые в мире термоядерную плазму протестировали в токамаке нового поколения Газета.ru, - (год публикации - ).

4. - Впервые в мире термоядерную плазму протестировали в токамаке нового поколения Научная Россия, - (год публикации - ).

5. Жильцов Н.С., Курскиев Г.С., Мухин Е.Е., Соловей В.А., Толстяков С.Ю., Александров С.Е., Баженов А.Н., Чернаков А.П. A note on measurement accuracy and thermal stability of filter polychromators for Thomson scattering diagnostics Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 976, Номер статьи 164289 (год публикации - 2020).

6. Курскиев Г.С., Гусев В.К., Сахаров Н.В. и др. Tenfold increase in the fusion triple product caused by doubling of toroidal magnetic field in the spherical tokamak Globus-M2 Nuclear Fusion, - (год публикации - 2021).

7. Тельнова А.Ю., Курскиев Г.С., Балаченков И.М., Бахарев Н.Н., Гусев В.К., и др. Первые результаты исследования переноса тепла и частиц в сферическом токамаке Глобус-М2 при инжекции пучка на стадии роста тока Журнал технической физики, том 91, вып. 3, Статья стр. 412 (год публикации - 2021).

8. Тюхменева Е.А., Бахарев Н.Н., Варфоломеев В.И., Гусев В.К., Жильцов Н.С., и др. Измерение мощности радиационных потерь и эффективного заряда плазмы на токамаке Глобус-М2 Письма в журнал технической физики, том 47, вып. 2, Статья стр. 9 (год публикации - 2021).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На токамаке Глобус-М2 была проведена серия экспериментов по нагреву плазмы нейтральным пучком с энергией частиц 45 кэВ и мощностью 0,75 МВт. Эксперименты проводились при токе плазмы 0,4 МА и тороидальном магнитном поле в центре вакуумной камеры 0,8 Тл. Средняя плотность плазмы в разрядах варьировалась в широком диапазоне от 1Е+19 м-3 до 7Е+19 м-3. Были выполнены измерения динамики пространственных распределений температуры и концентрации плазмы методом томсоновского рассеяния. При средней плотности плазмы выше 2,5Е+19 м-3 температура электронов практически не зависит от плотности плазмы, что приводит к сильной, практически линейной зависимости тепловой энергии электронов от плотности. Полное значение энергозапаса плазмы было получено на основании анализа диамагнитных измерений. Моделирование поглощения мощности инжектируемого пучка высокоэнергичных нейтральных частиц совместно с процессами переноса тепла поперек магнитного поля в магнитной ловушке позволило определить время удержания энергии в плазме, а также определить радиальные распределения значений электронной и ионной температуропроводности для режимов с разной плотностью плазмы. Проведенный анализ анализ указывает на наличие аномальных потерь тепла по ионному каналу при высокой плотности плазмы, что приводит к насыщению зависимости τE от ne при плотности плазмы выше 6∙1019 м-3. Уточнена зависимость нормализованного времени удержания энергии (BTτE) от столкновительности (ν*) плазмы используя новые данные токамака Глобус-М2: BTτE∝ν*-0,9±0,2. Эксперименты, проведенные на Глобус-М2 с повышенным до 0,8 Тл магнитным полем, позволили четко наблюдать усиление зависимости времени удержания энергии от столкновительности плазмы для меньшего диапазона ν*. Результаты экспериментов, полученных на токамаках Глобус-М/М2, однозначно свидетельствуют о том, что по мере уменьшения столкновительности для сферических токамаков (СТ) наблюдается усиление зависимости BTτE от ν* в то время как для обычных токамаков зависимость удержания энергии от столкновительности ослабевает с уменьшением ν* [1]. Кроме того, результат исследований на Глобус-М/М2 показывает, что сильная зависимость BTτE от столкновительности выполняется и при более высоком аспектном отношении 1,5 - 1,6, что важно при проектировании термоядерной установки, поскольку смягчает требования к проектированию электромагнитной системы центральной колонны токамака. Определенное внимание в ряде работ уделялось созданию «инженерного» скейлинга для τE в СТ [2,3]. Используя результаты эксперимента Глобус-М2 (R = 0,36 м), можно оценить зависимости τE от размера сферического токамака. Данные, полученные на зарубежных сферических токамаков NSTX и MAST (R = 0,8 - 0,9 м) были взяты из базы данных ITPA [4]. Полученный скейлинг довольно хорошо соответствует существующим экспериментальным данным при BT >0,3 T с MAPE = 12 % и может использоваться для предсказаний τE для СТ среднего или большего размера при сильном магнитным поле. Получена параметрическая зависимость для времени удержания энергии (скейлинг) с учетом размера установки на основании новых данных токамака Глобус-М/М2 и данных сферических токамаков START, MAST, NSTX: tau_E=0,066*I_p^{0.53}*B_T^{1.05}*P_{abs}^{-0.58}*n_e^{0.65}*R^{2.66}*kappa^{0.78} s Литература C. C. Petty, Sizing up plasmas using dimensionless parameters // Phys. Plasmas 15, 080501 (2008); https://doi.org/10.1063/1.2961043 A. Yu. Dnestrovskij, J. W. Connor and M.P. Gryaznevich2 “On the confinement modeling of a high field spherical tokamak ST40” // 2019 Plasma Phys. Control. Fusion 61 055009 P.F. Buxton, J.W. Connor, A.E. Costley et al “On the energy confinement time in spherical tokamaks: implications for the design of pilot plants and fusion reactors” // 2019 Plasma Phys. Control. Fusion 61 035006 URL: http://arks.princeton.edu/ark:/88435/dsp01m900nx49h

 

Публикации

1. А.Ю. Тельнова, В.Б. Минаев, А.А. Панасенков, П.Б. Щёголев Реновация ионно-оптической системы источника ИПМ-2 инжектора атомов сферического токамака Глобус-М2 Журнал технической физики, Том: 92, Номер: 4, Страницы: 540-546 (год публикации - 2021).

2. Курскиев Г.С., Гусев В.К., Сахаров Н.В. и др. Energy confinement in the spherical tokamak Globus-M2 with a toroidal magnetic field reaching 0.8 T Nuclear Fusion, 62 (2022) 016011 (год публикации - 2022).

3. Н.С. Жильцов, Г.С. Курскиев, А.Н. Баженов, Н.Н. Бахарев и др. Пространственное распределение Te и ne в режимах с нейтральной инжекцией на токамаке Глобус-М2 «Издательство МБА», Сборник тезисов доклада XLIX МЕЖДУНАРОДНАЯ ЗВЕНИГОРОДСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФИЗИКЕ ПЛАЗМЫ И УПРАВЛЯЕМОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ ICPAF-2022, с.63 (год публикации - 2022).

4. Н.С. Жильцов, Г.С. Курскиев, А.Н. Коваль и др. Диагностика томсоновского рассеяния токамака Глобус-М2 - прототип системы для термоядерного реактора "Тровант" (ООО "ТРОВАНТ"), Тезисы ХIX Всероссийской конференции ДИАГНОСТИКА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ, с. 147-150 (год публикации - 2021).

5. Петров Ю.В., Гусев В.К., Сахаров Н.В., Минаев В.Б. и др. Overview of GLOBUS-M2 spherical tokamak results at the enhanced values of magnetic field and plasma current Nuclear Fusion, Volume 62, Number 4, 042009 (год публикации - 2022).


Возможность практического использования результатов
-