Ученые доказали эффективность системы управления плотностью плазмы токамака

Эффективность работы системы управления плотностью плазмы для российского токамака Глобус-М2 продемонстрировали в эксперименте ее разработчики из Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 29 января сообщает пресс-служба института. В тестовом эксперименте система контролировала и поддерживала заданное значение электронной плотности ионизированного газа в токамаке в течение 150 миллисекунд. Работы над проектами по управляемому термоядерному синтезу (УТС) в настоящее время идут во многих странах мира. При этом в основном исследования ведутся на экспериментальных установках с использованием систем магнитного удержания плазмы замкнутого типа — токамаках и стеллараторах, или открытого — пробкотроны. Сферический токамак Глобус-М2 установлен в Санкт-Петербурге в Физико-техническом институте (ФТИ) им. А. Ф. Иоффе РАН. Специалисты ИЯФ СО РАН разработали, создали и установили на нем дисперсионный интерферометр (ДИ), представляющий редкий тип диагностической системы для измерения плотности плазмы путем зондирования на двух длинах волн. Уникальные характеристики ДИ позволяют ученым получать каждые 20 микросекунд точные данные о концентрации электронов в плазме. Чтобы не только иметь данные о плотности плазмы, но и управлять ею, поддерживая необходимое значение, в конце 2024 года специалисты ИЯФ СО РАН разработали для ДИ Глобуса-М2 дополнительную систему обратной связи. Научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Светлана Иваненко рассказала: «Плотность и температура плазмы — два важных параметра, от которых во многом зависит успех экспериментов по УТС. Диагностические системы для их измерения, соответственно, также очень важны. Надежным инструментом измерения электронной плотности плазмы является интерферометрия. В основе этого метода лежит принцип суперпозиции, то есть слияния, двух электромагнитных волн, вышедших из одного источника». Классические схемы интерферометров основаны на том, что одна из волн перед слиянием проходит через исследуемый объект (в случае токомака — через плазму), другая же огибает его, и в выходном сигнале появляется набег фазы, который прямо пропорционален плотности плазмы. Однако при такой схеме интерферометр очень чувствителен к вибрациям, которые возникают во время работы токомака, особенно из-за работы газодинамической ловушки, когда трясется даже пол. «Если в этот момент одно зеркало немного сдвинется, то луч уже будет идти не совсем так, как задумано. Длина пути у обоих лучей не должна меняться — только в этом случае мы будем знать, что возникающий набег фазы связан только с плазмой. Если же длина поменяется, то это тоже приведет к набегу фазы, но он никак не будет связан с плазмой, а будет определяться вибрациями, мы же никак не сможем отличить один от другого»,  — пояснила Светлана Иваненко. Поэтому для токамака во ФТИ им. А. Ф. Иоффе специалисты ИЯФ СО РАН разработали интерферометр на основе CO₂-лазера с длиной волны излучения ~10 микрон и минимальной чувствительностью к любым вибрациям, который уже три года успешно работает на Глобусе-М2. Как пояснил ведущий научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе кандидат физико-математических наук Владимир Минаев, «к особенности сферических токамаков следует отнести возможность удержания плазмы с высокой плотностью в относительно слабом удерживающем магнитном поле. Ранее использовавшиеся СВЧ-интерферометры плохо работали в таких условиях из-за сильной рефракции, а для снижения ее влияния требовалось уменьшать длину волны зондирующего излучения. К сожалению, источники такого излучения фактически отсутствуют». Сейчас на Глобусе-М2 есть три устройства диагностики для измерения плотности плазмы. Это СВЧ-интерферометр, имеющий вышеуказанные недостатки, ДИ и диагностика томсоновского рассеяния, с помощью которой с частотой 300 Гц измеряются профили плотности, чего достаточно для целей управления. Однако такая система сложна, имеет высокую стоимость и требует для зондирующей и приемной аппаратуры большее количество патрубков. Поэтому у разработки ИЯФ СО РАН есть ряд конкурентных преимуществ, которые следует учитывать при проектировании установок следующего поколения, в том числе на прототипах термоядерных реакторов. Сотрудничая с коллегами ФТИ им. А. Ф. Иоффе, специалисты ИЯФ СО РАН дооборудовали ДИ устройством, позволяющим управлять плотностью плазмы — автоматической системой, которая во время эксперимента сравнивает приходящие каждые 20 микросекунд значения плотности плазмы, полученные от измерительного модуля дисперсионного интерферометра, с некоторым задаваемым оператором уровнем, на котором необходимо поддерживать текущую плотность. Далее, добавила Светлана Иваненко: «На основании возникающей ошибки рассогласования (используя специальные алгоритмы) формируется сигнал управления пьезоэлектрическим клапаном, отвечающим за напуск газа в камеру токамака, что, в свою очередь, позволяет изменять плотность плазмы». В результате на токамаке Глобус-М2 удалось управлять плотностью плазмы при длительности разряда всего в 250 миллисекунд. «В условиях таких коротких длительностей (а для управления из указанного интервала нам отводилось всего 100–150 мс) нам удалось продемонстрировать, что система работает — мы эффективно поддерживали плотность плазмы на необходимом уровне в течение заданного промежутка времени», — прокомментировала Светлана Иваненко. Результаты экспериментов ИЯФ СО РАН наиболее важны для дальнейшего развития и использования такой диагностики, например, на токамаке Т-15МД в московском Курчатовском институте, а также в проектируемом токамаке с реакторными технологиями (ТРТ). «Для Глобуса контур управления плотностью с обратной связью не очень актуален, но для установок следующего поколения с большой длительностью разряда это будет очень важно. Следует заметить, что кроме клапана, подающего газ в разряд, есть еще неуправляемый источник поступления атомов — рециклинг со стенки. И с этим надо разбираться, в том числе, при создании в дальнейшем промышленного устройства»,  — дополнил Владимир Минаев. glavno.smi.today