Редкая диагностическая система на российском токамаке Глобус-М2

На сегодняшний день в мире реализуется достаточно много проектов, посвященных управляемому термоядерному синтезу (УТС): от масштабных, класса мегасайенс, в которых принимают участие все промышленно развитые страны мира, до более маленьких, развернутых на территории одного института.

Токамак Глобус-М2 Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН. Фото предоставлено коллективном Глобус-М2. © www.inp.nsk.su

Компетенции Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) позволяют специалистам развивать как собственные проекты по физике плазмы и УТС, так и выступать экспертами в большинстве других.

Один из российских экспериментов, в котором ИЯФ СО РАН принимает участие — сферический токамак Глобус-М2 Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург). Для петербургских коллег новосибирские физики разработали, создали и установили дисперсионный интерферометр — редкий тип диагностической системы для измерения плотности плазмы путем зондирования на двух длинах волн. Благодаря уникальным характеристикам устройства физики получают точные данные о концентрации электронов в плазме каждые 20 микросекунд. Последние результаты работы приняты к публикации в журнал Fusion Engineering and Design. Исследования ведутся при поддержке гранта РНФ.

Большинство исследований в области УТС проводятся на экспериментальных установках, в основе которых лежат различные системы магнитного удержания — магнитные ловушки либо замкнутого типа (токамаки и стеллараторы), либо открытого типа (пробкотроны). ИЯФ СО РАН является мировым лидером в разработке и исследованиях открытых магнитных ловушек. В инфраструктуру института входят четыре экспериментальные установки данного типа. Но компетенции специалистов ИЯФ СО РАН позволяют им работать и с проектами по изучению УТС, в основе которых замкнутые магнитные системы — токамаки. Институт принимает участие в одном из наиболее известных мегасайенс проектов в области УТС — Международном экспериментальном термоядерном реакторе (ИТЭР, Франция), а также в ряде российских исследований, например, сферическом токамаке Глобус-М2 в ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Россия, г. Санкт-Петербург).

«Программа уникальной научной установки Глобус-М2, расположенной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, посвящена изучению высокотемпературной плазмы для создания термоядерного источника нейтронов для гибридной ядерной энергетики, — рассказывает младший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе Владимир Солоха. — На нашем сферическом токамаке мы успешно решаем ряд задач УТС, таких как: разработка методов нагрева плазмы до субтермоядерных температур и эффективных схем непрерывного поддержания тока в прототипе генератора нейтронов, исследование материалов первой стенки компактного токамака и их взаимодействия с плазмой. Благодаря высокой компетенции сотрудников ФТИ им. А.Ф. Иоффе, выполняющих ряд задач в рамках проекта ИТЭР, в институте разрабатываются три диагностических комплекса: диагностика нейтральных атомов, гамма-спектроскопия и диагностика томсоновского рассеяния в диверторе. Каждая из описанных диагностических систем проходит отладку на Глобус-М2, так как некоторые параметры плазмы, ожидаемые в ИТЭР и наблюдаемые в Глобус-М2, совпадают или имеют один порядок величины».

Независимо от масштабов экспериментов в области УТС, цель у них одна — добиться нужных для термоядерного синтеза температуры, плотности и времени удержания плазмы.

«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 метода интерферометрии лежит принцип суперпозиции, то есть слияния, двух электромагнитных волн, вышедших из одного источника, — рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Светлана Иваненко. — В классических схемах интерферометров (например, Майкельсона) одна из волн перед слиянием проходит через исследуемый объект (плазму), а другая — огибает его. В результате в выходном сигнале появляется набег фазы, связанный с плазмой, который прямо пропорционален ее плотности. Но у классической схемы интерферометра есть недостатки — ее оптические элементы очень чувствительны к вибрациям, которые во время работы установки неизбежны. Например, когда работает наша Газодинамическая ловушка (ГДЛ), все вокруг дрожит и вибрирует, даже пол трясется. 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».

Чтобы избежать сдвигов оптических элементов от вибраций, в классических схемах интерферометров используют громоздкие станины с различными фиксирующими устройствами. Схема дисперсионного интерферометра, разработанного в ИЯФ СО РАН, отличается от классической, в том числе минимальной чувствительностью к любого рода колебаниям. Дисперсионный интерферометр на основе СО2-лазера с длиной волны излучения ~10 микрон, которая по ряду причин оказывается оптимальной для зондирования плазмы в современных установках для термоядерных исследований, был впервые разработан в ИЯФ СО РАН. Позитивный опыт, полученный на установке ГДЛ, а затем на токамаке TEXTOR (Tokamak Experiment for Technology Oriented Research, Германия, Юлих), мотивировал ряд передовых лабораторий мира пойти по проложенному нами пути. Среди них: японский токамак JT-60AS, германский стелларатор Wendelstein 7-X и другие. Таким образом, ИЯФ СО РАН является не только создателем диагностики для Глобус-М2, но и законодателем моды по этому направлению в мире.

«Те или иные виды интерферометров используются практически на всех установках для экспериментов в области УТС, но дисперсионный интерферометр является большой редкостью, -поясняет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Соломахин. — Дисперсионный интерферометр — это прибор для измерения оптического размера среды, обладающей дисперсией, что означает зависимость оптических свойств среды от длины волны излучения. Наш дисперсионный интерферометр предназначен для измерения плотности плазмы, а точнее произведения плотности на размер плазмы. Основное отличие нашего устройства в том, что он зондирует плазму на двух длинах волн, причем вторая волна получается из первой с помощью метода удвоения частоты в нелинейном кристалле. Главное преимущество такого типа интерферометра — это слабая чувствительность к вибрациям оптических элементов, которые неизбежны при работе больших установок. Так получается потому, что дисперсия плазмы намного больше дисперсии воздуха, в котором установлены элементы интерферометра. Стоит отметить, что оптическая схема интерферометра — это синтез наиболее удачных решений, примененных в наших прошлых разработках».

Процесс настройки дисперсионного интерферометра для токамака Глобус-М2. Фото предоставлено С. Иваненко. © www.inp.nsk.su

В составе штатных диагностик дисперсионный интерферометр ИЯФ СО РАН работает на исследовательском комплексе Глобус-М2 с сентября 2022 г. Следующим этапом сотрудничества станет проверка дополнительного функционала, которым специалисты ИЯФ СО РАН снабдили свой дисперсионный интерферометр.

«Наша диагностическая система измеряет плотность плазмы в режиме реального времени с высокой точностью (с разрешением ≤ 6·1016 м-2). Но мы хотим, чтобы она могла еще и поддерживать плотность на заданном уровне, — объясняет Светлана Иваненко. — Оператор будет задавать некоторую желаемую функцию поведения плотности плазмы во времени. Реальная плотность, измеренная при помощи интерферометра, будет сравниваться со значениями этой функции в каждый конкретный момент времени. По результатам такого сравнения будет вычисляться сигнал ошибки, который в свою очередь будет использоваться для формирования сигнала управления клапаном напуска газа для подстройки плотности под заданный уровень. Такую схему возможно реализовать только в том случае, если аппаратура регистрации и обработки данных интерферометра позволяет производить вычисления плотности плазмы с очень высокой скоростью, по сути в режиме реального времени. Для дисперсионного интерферометра такая аппаратура создавалась специально, и на сегодняшний день является еще одной его отличительной чертой».

По словам специалиста, в основе реализованного алгоритма вычисления плотности плазмы лежит преобразование Фурье, что позволяет измерять сигнал с хорошей точностью, даже если присутствуют сильные шумы. «До этого мы работали с другим алгоритмом, который при высоком уровне шума входного сигнала мог давать сбои, приводить к некорректным результатам или вовсе быть неработоспособным. Также мы добавили возможность учета изменения в процессе эксперимента одной из компонент регистрируемого сигнала (глубины модуляции), чего до нас никто не делал. Это еще больше повысило точность вычисляемого значения плотности плазмы», — добавляет Светлана Иваненко.

Предварительные эксперименты с системой обратной связи проходили на измерительном стенде в ИЯФ СО РАН. Теперь задача специалистов проверить работу дисперсионного интерферометра с возможностью управления плотностью плазмы в реальном эксперименте на токамаке Глобус-М2.

«Приобретённый ФТИ им. А.Ф. Иоффе дисперсионный интерферометр позволяет нам в режиме реального времени получать надёжные данные об абсолютной величине концентрации электронов плазмы во всех режимах работы установки. Использование дисперсионного интерферометра вместе с диагностикой томсоновского рассеяния снижает систематическую ошибку измерения концентрации электронов до значений менее 3%, — добавляет Владимир Солоха. — Объединение дисперсионного интерферометра с управляющим устройством и газовым клапаном позволит реализовать систему контроля плотности электронов плазмы. Достижение постоянной плотности в ходе плазменного разряда необходимо для улучшения контроля за плазменными параметрами который уменьшит среднее количество плазменных разрядов, необходимых для достижения требуемых параметров. Тем самым мы повысим эффективность работы токамака».

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈