Физика плазмы

Описан диагностический комплекс сферического токамака Глобус-М2 (R = 36 см, a = 24 см) – единственного в России действующего токамака с диверторной конфигурацией плазмы, работающего в диапазоне субтермоядерных температур (T_e до 1.6 кэВ, T_i до 4.5 кэВ) и плотностей (n_e до 2 × 10²⁰ м^–3). Токамак Глобус-М2 является уникальной научной установкой, входящей в состав Федерального центра коллективного пользования Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук “Материаловедение и диагностика в передовых технологиях”. Это позволяет сторонним организациям проводить на нем свои исследования. Статья содержит перечень всех имеющихся на токамаке на данный момент диагностик. Описание диагностик построено таким образом, чтобы читатель получил представление об их возможностях по измерению плазменных параметров с акцентом на пределы и точность измеряемых величин, а также пространственное и временное разрешение. При этом многие технические детали опущены в целях экономии места, даны ссылки на работы с более подробным описанием отдельных диагностик.

Приведены результаты численной оценки поглощенной мощности пучка нейтральной инжекции в сферических токамаках Глобус-М/M2. Моделирование замедления быстрых частиц проведено с помощью NUBEAM. Кодом FIDASIM проведено моделирование сигнала анализатора атомов перезарядки с использованием функции распределения быстрых ионов, рассчитанной кодом NUBEAM. Сравнение рассчитанного сигнала с экспериментальным позволило определить степень влияния неустойчивостей на удержание быстрых частиц, а также на уровень поглощенной мощности пучка.

Вычислены запасенная в плазме тепловая энергия \({{W}_{p}}\), нормализованная внутренняя индуктивность \({{l}_{i}}\) и токовая бета \({{\beta }_{I}}\) посредством равновесного кода PET со свободной границей. Алгоритм реконструкции равновесия сводится к итеративному методу минимизации двух параметров – расстояния между реконструированной границей плазмы и смоделированной кодом PET, а также разности диамагнитного потока от плазмы из PET и экспериментального. Анализировались разряды токамака Глобус-М2 с тороидальным магнитным полем до 0.9 Тл, током плазмы 0.3–0.4 МА в режиме с дополнительным нагревом двумя инжекторами атомов. Рассмотрена возможность использования приближенных формул для оценки \({{W}_{p}}\) и \({{l}_{i}}\). Измеренный диамагнитный поток использовался для определения \({{\beta }_{{dia}}}\) и последующего расчета \({{W}_{{dia}}}\). Нормализованная внутренняя индуктивность \({{l}_{i}}\) дополнительно была определена из измеренного вертикального магнитного поля в предположении \({{\beta }_{p}} = {{\beta }_{{dia}}}\).

На компактном сферическом токамаке Глобус-М2 проведена серия экспериментов для изучения влияния инжекции азота на параметры разряда. Эксперименты проводились в дейтериевых разрядах в диверторной конфигурации, дополнительный нагрев осуществлялся пучком нейтрального дейтерия. При инжекции было зафиксировано значительное уменьшение электронной температуры вблизи дивертора и резкое падение плотности теплового потока на диверторные пластины, при этом плотность и температура в основной плазме изменялись незначительно. Моделирование с помощью кода SOLPS-ITER показало удовлетворительное согласие с экспериментом.

Для управления формой плазмы во время разряда в токамаке необходимо рассчитывать форму плазмы в реальном времени. Требования к скорости расчета формы особенно высоки для токамаков с небольшим радиусом, таких как Глобус-M2 (Санкт-Петербург, Россия). Представлена система магнитного управления плазмой реального времени для токамака Глобус-М2 с алгоритмом восстановления равновесия плазмы FCDI в обратной связи. Система управления содержит дискретные одномерные и матричные ПИД-регуляторы, синтезированные методом матричных неравенств на LPV‑модели плазмы, рассчитанной на экспериментальных данных, и осуществляет согласованное управление положением и формой плазмы, а также компенсацией рассеянного поля центрального соленоида. Алгоритм FCDI (Flux and Current Distribution Identification) был улучшен для работы в режиме реального времени, и позволяет восстанавливать форму плазмы за \(20\) мкс. Моделирование цифровой системы управления с алгоритмом в обратной связи было проведено на стенде реального времени, состоящего из двух целевых машин реального времени (ЦВРМ) Speedgoat Performance, и продемонстрировало среднее значение TET (Task Execution Time, время расчета за такт) в 67 мкс.

Рассматривается концепция сферического токамака следующего поколения – проект Глобус-3, который по своим характеристикам совместим с существующей в ФТИ им. А.Ф. Иоффе инфраструктурой, но отличается от работающего ныне токамака Глобус-М2 более сильным тороидальным магнитным полем (1.5–3.0 Тл) и увеличенной продолжительностью плазменного разряда. Приведены данные параметрического анализа, которые обусловили предварительный выбор параметров установки. Были рассмотрены три варианта исполнения электромагнитной системы: с теплыми медными обмотками, с предварительно захоложенными медными обмотками и с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников. Для первого варианта разработана концепция построения электромагнитной системы и вакуумной камеры установки. Приводится сценарий базового разряда длительностью до 3 с при поле 1.5 Тл и токе плазмы 0.8 МА.