Исследование электрических полей и электростатической турбулентности в плазме термоядерных установкок

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 19-12-00312

НазваниеИсследование электрических полей и электростатической турбулентности в плазме термоядерных установкок

Руководитель Мельников Александр Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова термоядерный синтез, токамак, стелларатор, турбулентность плазмы, электрическое поле, пучок тяжелых ионов,

Код ГРНТИ29.27.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В течение последних лет главным направлением исследований магнитного термоядерного синтеза в тороидальных системах является сооружение Международного термоядерного экспериментального реактора ITER. Это мегапроект стоимостью свыше 20 миллиардов Евро, в нем участвует все ведущие страны мира, включая Россию. Параллельно на действующих термоядерных установках с магнитным удержанием – токамаках и стеллараторах проводятся физические исследования в поддержку ITER. Наиболее актуальной и трудной проблемой является исследование физических механизмов переноса и удержания энергии и частиц в горячей плазме. Многолетние исследования показали, что перенос энергии и частиц в плазме не описывается классическими (неоклассическими) механизмами парных кулоновских столкновений, а является результатом одновременного действия нескольких процессов, таких как турбулентность различных временных и пространственных масштабов, взаимодействие плазмы со стенкой, излучение из плазмы, быстрые частицы, источники нагрева, магнитные конфигурации и т.д. Поэтому исследование роли отдельных механизмов, в частности, связанных с плазменной турбулентностью и электрическим полем, в общей картине переноса является актуальной задачей физики плазмы, не потерявшей своей новизны. С этой фундаментальной задачей тесно связаны и прикладные задачи - разработка новых методов диагностики плазмы, необходимых для исследования плазмы современных термоядерных установок и для ITER. Эти две задачи и являются главными задачами проекта. Главным методом исследования в предлагаемом проекте является зондирование плазмы пучком тяжелых ионов (Heavy Ion Beam Probe - HIBP). Эта уникальная многоцелевая диагностика позволяет проводить измерения квазистационарных значений электрического поля (потенциала), а также колебаний потенциала, плотности и магнитного поля в плазме. В настоящее время этот уникальный метод применяется для измерений электрического потенциала только на российских токамаках Т-10 и Туман-3М. Ядро коллектива, предлагающего данный проект, участвовало в выполнении проекта РНФ 14-22-00193: «Исследование звуковых и альфвеновских колебаний в тороидальных термоядерных установках», с 2014 по 2016 гг., и в его продолжении с 2017 по 2018 гг. Предлагаемый проект опирается на результаты этих проектов и является их дальнейшим развитием. В течение срока выполнения проекта РНФ 14-22-00193 на токамаке Т-10 (НИЦ «Курчатовский институт») был проведен ряд экспериментов по измерению электрических полей в различных режимах работы токамака, также проводились поддерживающие эксперименты на зарубежных установках: стеллараторе TJ-II (Испания), токамаке Compass (Чехия) и др. В 2018 г. токамак T-10 остановил работу в связи с реконструкцией системы электропитания, вызванной сооружением токамака T-15 МД. За эти 5 лет на T-10 наработана огромная (более 100 Тбайт) база экспериментальных данных, содержащая необработанную («сырую») информацию об электрических полях, вращении плазмы, примесях, электростатической и электромагнитной турбулентности, полученную с помощью мощного диагностического комплекса T-10 , включающего в себя уникальные диагностики: зондирование пучком тяжелых ионов (HIBP), перезарядочно-рекомбинационную спектроскопию (CXRS), корреляционную рефлектометрию, а также ленгмюровские и магнитные зонды. На T-10 использовался омический и мощный электронно-циклотронный (ЭЦ) нагрев плазмы (планируемый к использованию на ITER). Графитовый лимитер был заменен вольфрамовым (из материала, сертифицированного для ITER). Была установлена система покрытия лимитера литием. Обработка базы экспериментальных данных Т-10, извлечение из сырых данных физической информации, ее анализ и физические выводы являются важной частью предлагаемого проекта. Наряду с решением фундаментальных физических задач, в проекте будут решаться прикладные задачи: усовершенствование и разработка диагностик для существующих термоядерных установок в РФ, с перспективой их использования на ITER. Основные направления работ по проекту: 1. Исследование электрического поля, полоидального и тороидального вращения плазмы и характеристик электростатической турбулентности в их связи с удержанием плазмы на основе анализа базы данных токамака Т-10 и развития теоретических моделей, основанных на неоклассической теории переноса и турбулентной гидродинамике. Впервые будет исследован профиль электрического поля в разрядах с мощным электронным нагревом плазмы, где возможен переход к режиму редких столкновений, моделирующем реакторный, изучены каналы потерь энергии в этом режиме, перенос, и баланс энергии и частиц. 2. Разработка и усовершенствование методов измерения потенциала, вращения и турбулентности плазмы с помощью зондирования плазмы пучком тяжелых ионов. Создание испытательного стенда для отработки методов получения высокоинтенсивных пучков тяжелых ионов для измерения электрических полей на отечественных термоядерных установках Т-15МД (НИЦ "Курчатовский институт"), Глобус-М2, (ФТИ им А.Ф. Иоффе, СПб), обладающих высокой оптической толщиной для зондирующего пучка ионов. 3. Испытания инжекторов тяжелых ионов на действующих установках УТС: токамаке Глобус-М2 и стеллараторах Ливень-2 (ИОФРАН им. А.М. Прохорова) и TJ-II (CIEMAT, Испания). 4. Моделирование взаимодействия высокоинтенсивных пучков тяжелых ионов с плазмой токамака Т-15МД и других установок УТС.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Вершков В.А., Булдаков М.А., Субботин Г.Ф., Шелухин Д.А., Мельников А.В., Елисеев Л.Г., Харчев Н.К., Хабанов Ф.О., Драбинский М.А., Сергеев Д.С., Мялтон Т.Б., Трухин В.М., Горшков А.В., Бельбас И.С., Асадулин Г.M. 3D structure of density fluctuations in the T-10 tokamak and new approach for current profile estimation Nuclear Fusion, 59, 6, 066021 (14 pp) (год публикации - 2019)
10.1088/1741-4326/ab15b1

2. Хабанов Ф.О., Елисеев Л.Г., Мельников А.В., Драбинский М.А., Идальго К., Харчев Н.К., Чмыга А.А., Козачек А.С., Пастор И., де Паблос Х.Л., Шевелько В.П. Density profile reconstruction using HIBP in ECRH plasmas in the TJ-II stellarator Journal of Instrumentation, v.14, p. C09033 (9 p) (год публикации - 2019)
10.1088/1748-0221/14/09/C09033

3. Мельников А.В., Драбинский М.А., Елисеев Л.Г., Хабанов Ф.О., Харчев Н.К., Лысенко С.Е. Studies of poloidal rotation of plasma density turbulence with HIBP in the T-10 tokamak 46th EPS Conference on Plasma Physics, Milano, 8 - 12 July 2019, Europhysics conference abstracts V. 43C. P5.190 (год публикации - 2019)

4. Нургалиев М.Р., Крупин В.А., Ключников Л.А., Немец А.Р., Земцов И.А., Днестровский А.Ю., Борщеговский А.А., Кислов А.Я., Сарычев Д.И., Соловьев Н.А., Трухин В.М., Пименов И.С., Сергеев Д.С., Мялтон Т.Б., Тугаринов С.Н., Науменко Н.Н. The comparison of ion and electron anomalous heat conductivities in T-10 plasma 46th EPS Conference on Plasma Physics, Milano, 8 - 12 July 2019, ECA, V. 43C, P5.1078 (год публикации - 2019)

5. Драбинский М.А., Елисеев Л.Г., Хабанов Ф.О., Мельников А.В., Харчев Н.К., Сергеев Н.С., Грашин С.А. Radial structure of Quasicoherent mode in the ohmic plasmas of the T-10 tokamak Journal of Physics. Conference Series, V. 1383, P. 012004 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1383/1/012004

6. Ильин А.М., Хабанов Ф.О., Мельников А.В. Probing ion trajectory simulations for the HIBP diagnostics at the T-15MD tokamak Journal of Physics. Conference Series, V. 1383, P. 012006 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1383/1/012006

7. Драбинский М.А., Мельников А.В., Хабанов Ф.О., Елисеев Л.Г., Харчев Н.К., Ильин А.М., Саранча Г.А., Вадимов Н.А. Conceptual design of the heavy ion beam probe diagnostics for the T-15MD tokamak Journal of Instrumentation (год публикации - 2019)

8. Горбун М.С., Мельников А.В., Сычугов Д.Ю. Влияние вариации управляющих токов на положение сепаратрисы в области дивертора токамака Т-15МД Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, N 4, Т. 42, c. 45-51 (год публикации - 2019)
10.21517/0202-3822-2019-42-4-45-51

9. Крупин В.А., Ключников Л.А., Нургалиев М.Р., Немец А.Р., Земцов И.А., Днестровский А.Ю., Грашин С.А., Кислов А.Я., Мялтон Т.Б., Сарычев Д.В., Сергеев Д.С., Соловьев Н.А., Трухин В.М. Study of lithium influx, radiation, transport and influence on plasma parameters in the T-10 tokamak Plasma Physics Controlled Fusion (год публикации - 2020)

10. Грязневич М., Штокель Я., Ван Оост Г., Дель Боско Э., Свобода В., Мельников А., Камендж Р., Малакиш А., Манк Г., Миклажевский Р. Contribution of joint experiments on small tokamaks in the framework of IAEA coordinated research projects to mainstream fusion research Plasma Science and Technology (год публикации - 2020)
10.1088/issn.1009-0630

11. Разумова К.А., Дремин М.М., Касьянова Н.В., Кирнева Н.А., Ключников Л.А., Крупин В.А., Крылов С.В., Лысенко С.Е., Ноткин Г.Е., Сарычев Д. В., Соловьев Н.А., Чуканов М.В., Онгена Дж., Мессиан A. Удержание энергии в самоорганизующейся плазме токамака (без внутренних транспортных барьеров) Физика плазмы (год публикации - 2020)

12. Ямамото С., Нагасаки К., Нагаока К., Варела Х., Каппа А., Аскасибар Э., Кастехон Ф., Фонтдекаба Х.М. Гарсиа-Реганья Х.М., Мельников А.М. и др. Effect of ECH/ECCD on energetic-particle-driven MHD modes in helical plasmas Nuclear Fusion, No 6, vol. 60 p. 066018 (12pp) (год публикации - 2020)
10.1088/1741-4326/ab7f13

13. Шарма Р., Хабанов Ф.О., Мельников А.В., Идальго К., Каппа А., Чмыга А., Елисеев Л.Г., Эстрада Т., Харчев Н.К., Козачек А.С., Крупник Л.И., и др. Measurements of 2D poloidal plasma profiles and fluctuations in ECRH plasmas using the heavy ion beam probe system in the TJ-II stellarator Physics of Plasmas, v. 27, p. 062502 (год публикации - 2020)
10.1063/1.5142996

14. Басу Д., Накажима М., Мельников А.В., Мартинелл Дж., Макколл Д., Синг Р., Хиао К., Хирозе А. Application of high frequency biasing and its effect in STOR-M tokamak Nuclear Fusion, No 9, V. 60, p. 094001 (6 pp) (год публикации - 2020)
10.1088/1741-4326/ab945c

15. Басу Д., Накажима М., Мельников А.В., Макколл Д., Хиао К., Хирозе А. Development of a broad band AC power amplifier for real time turbulence feedback control experiment in the Saskatchewan Torus-modified (STOR-M) tokamak Review Scientific Instruments, No 9, V. 91, p. 094707 (8 p) (год публикации - 2020)
10.1063/5.0012014

16. Днестровский Ю.Н., Данилов А.В., Днестровский А.Ю., Ключников Л.А., Лысенко С.Е., Мельников А.В., Немец А.Р., Нургалиев М.Р., Субботин Г.Ф., Соловьев Н.А., Сушков А.В., Сычугов Д.Ю., Черкасов С.В. Сравнение ЭЦР-нагрева плазмы в токамаке Т-10 на первой и второй гармонике Физика плазмы, № 5, том 46, с. 387–400 (год публикации - 2020)
10.31857/S0367292120050030

17. Вадимов Н.А., Саранча Г.А., Драбинский М.А., Мельников А.В., Елисеев Л.Г., Хабанов Ф.О., Харчев Н.К., Комаров А.Д. The high voltage test bench for heavy ion beam probe diagnostics on the T-15MD tokamak Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Plasma Physics, 130, 26, 6, c. 200-203 (год публикации - 2020)

18. Хабанов Ф.О., Мельников А.В., Минаев В.Б., Комаров А.Д. Heavy ion beam probing conceptual design for the Globus-M2 tokamak Problems of Atomic Science and Technology (PAST). Ser. Plasma Physics, 130, 26, 6, p. 195-199 (год публикации - 2020)

19. Крупник Л.И., Баркала Х., Чмыга А.А., Драбинский М.А., Елисеев Л.Г., Идальго К., Хабанов Ф.О., Хребтов С.М., Комаров, А.Д., Козачек А.С., Мельников А.В., Молинеро А., де Паблос Х.Л. High-intensity cesium ion beams for HIBP diagnostics Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Plasma Physics, 130, 26, 6, p. 190 - 194 (год публикации - 2020)

20. Горбун М.С., Мельников А.В., Сычугов Д.Ю., Садыков А.Д. О возможности получения в установке токамак Т-15МД разрядов с уменьшенным объемом плазменного шнура Труды ВМК МГУ «Прикладная математика и информатика»/Computational Mathematics and Modeling, 64, 5-16 (год публикации - 2020)

21. Днестровский Ю.Н., Данилов А.В., Днестровский А.Ю., Лысенко С.Е., Мельников А.В., Немец А.Р., Нургалиев М.Р., Субботин Г.Ф., Соловьев Н.А., Сычугов Д.Ю., Черкасов С.В. Transport model of plasma heating at the second harmonic of the electron-cyclotron frequency Plasma Physics and Controlled Fusion, № 5, т. 63 055003 (15 pp) (год публикации - 2021)
10.1088/1361-6587/abdc9b

22. Каппа А., Варела Х., Лопез-Бруна Д., Аскасибар Э., Линиерс М., Елисеев Л.Г., Фонтдекаба Х.М., Гарсия-Регана Х.М., Гонзалес А., Харчев Н.К., Медина Ф., Мельников А.В. Садиг Мулас, Очандо М.А., Спонг Д.А., Веласко Х.Л. Stability analysis of TJ-II stellarator NBI driven Alfven Eigenmodes in ECRH and ECCD experiments Nuclear Fusion, 61(6) 066019 (24p) (год публикации - 2021)
10.1088/1741-4326/abf74b

23. Разумова К.А., Андреев В.Ф., Елисеев Л.Г., Кантор М.Ю., Касьянова Н.В., Лысенко С.Е. Мельников А.В. Physical processes determining plasma confinement in tokamaks with presence of transport barriers from the position of self-organization Plasma Physics and Controlled Fusion, № 5, т. 63 055003 (15 pp) (год публикации - 2021)
10.1088/1361-6587/abe023

24. Иванов Д.П., Анашкин И.O., Драбинский М.А., Коробов К.В., Лысенко С.Е., Мельников А.В., Новиков С.И. Концепция магнитной системы компактного сверхпроводящего токамака с полем 5 Тл ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 44(1) 57-67 (год публикации - 2021)
10.21517/0202-3822-2021-44-1-57-67

25. Лопес-Бруна Д., Гутьеррес-Тапиа Ц., Мартинель Х.Х., Мельников А.В., Елисеев Л.Г., Хабанов Ф.О., Пастор И., Тафайя Д. Plasma electric potential in the TJ-II stellarator: neoclassical formulation versus measurements ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 44(1) 91-105 (год публикации - 2021)
10.21517/0202-3822-2020-44-1-91-105

26. Риггс Г.А., Ногами С.Х., Кёпке М.Э., Мельников А.В., Елисеев Л.Г., Лысенко С.Е., ХабановФ.О., Драбинский M.A., Харчев Н.К., Козачек А.С., Уфимцев М.В. Bispectral analysis of broadband turbulence and Geodesic Acoustic Modes in the T-10 Tokamak. Journal of Plasma Physics, 87(3) 885870301 (9 p) (год публикации - 2021)
10.1017/S0022377821000490

27. Елисеев Л.Г., Мельников А.В., Аскасибар Э., Каппа А., Драбинский M., Идальго К., Хабанов Ф.О., Харчев Н.К., Козачек А.С., Линиерс М., Лысенко С.Е. Очандо М., де Паблос Х.Л., Пастор И., Шарапов С.Е., Спонг Д.А., Брейзман Б.Н., Варела Х. Experimental observation of the geodesic acoustic frequency limit for the NBI-driven Alfven eigenmodes in TJ-II Physics of Plasmas, 28 (7) 072510 (10 pp) (год публикации - 2021)
10.1063/5.0049225

28. Мельников А. Evolution of Heavy Ion Beam Probing from the Origins to Study of Symmetric Structures in Fusion Plasmas Symmetry, 13(8), 1367 (47 pp) (год публикации - 2021)

29. Горбун М.С., Мельников, А.В., Сычугов Д.Ю. Negative-Triangularity Magnetic Configurations in T-15MD Tokamak. Computational mathematics and modeling, 32(1) 1-7 (год публикации - 2021)
10.1007/s10598-021-09512-3

30. Саранча Г.А., Свобода В., Штокель Я., Мельников А. Magnetic turbulence and long-range correlation studies in the GOLEM tokamak Journal of Physics: Conference Series, 2055 (12) 012003 (5 p) (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2055/1/012003

31. Идальго К., Аскасибар Э., Алегре Д., Драбинский M., Елисеев Л., Хабанов Ф., Харчев Н., Лысенко С.Е., Мельников А.В. и др. Overview of the TJ-II stellarator research programme towards model validation in fusion plasmas. Nuclear Fusion (год публикации - 2021)
10.1088/1741-4326/ac2ca1

32. Ван Миллиген Б. Ф., Мельников, А.В., Каррерас Б.А., Гарсиа Гонзаго Л., Козачек, А.С., Идальго К., де Паблос Х.Л., Хабанов Ф., Елисеев Л.Г., Драбинский M., Чмыга A., Крупник Л.И. Topology of 2-D turbulent structures based on intermittence in the TJ-II stellarator Nuclear Fusion, 61 (11) 116063 (12p) (год публикации - 2021)
10.1088/1741-4326/ac27c9

33. Крупин В.А, Земцов И.А., Нургалиев М.Р., Ключников Л.А., Немец А.Р. Иванов А., Ступицин Н.В., Науменко Н.Н., Тугаринов С.Н. Spectroscopic diagnostics of the T-15MD tokamak. Proc. 47th EPS Conference on Plasma Physics, Barcelona, Spain, 21-25 June 2021, ECA Vol. 45A, P2.1009 (год публикации - 2021)

34. Саранча Г., Дрозд А., Емекеев И., Ганин С., Кропакова Д., Кудашев И., Кулагин В., Лауэрова М., Мельников А., Сергеев Н., Крохалев О., Штокель Я., Свобода В. Hydrogen and helium discharges in the GOLEM tokamak ВАНТ: сер. Термоядерный синтез, 44 (4) 92-110 (год публикации - 2021)
10.21517/0202-3822-2021-44-4-92-110

35. Мельников А.В., Вершков В.А., Грашин C.А., Драбинский М.А., Елисеев Л.Г., Земцов И.А., Крупин В.А., Лахин В.П., Лысенко С.Е., Немец А.Р., Нургалиев М.Р., Харчев Н.К., Хабанов Ф.О., Шелухин Д.А. Исследование геодезических акустических и альвеновских колебаний в тороидальных термоядерных установках (миниобзор) письма в ЖЭТФ, т. 115, № 6, с. 260-378 (год публикации - 2022)
10.31857/S1234567822060040

36. Мельников А.В., Елисеев Л.Г., Баркала Х.M., Каппа A., Чмыга A.A., M.A. Драбинский, Идальго К., Хабанов Ф.O., Харчев Н.K., Козачек А.С., Линирес, M. Лопез-Бруна Д., Лосада У., Лысенко С.Е. и др. 2D distributions of potential and density mean-values and oscillations in the ECRH and NBI plasmas at the TJ-II stellarator Plasma Physics and Controlled Fusion, 64, 5, 054009 (10 pp.) (год публикации - 2022)
10.1088/1361-6587/ac5b4c

Публикации