Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали систему управления плотностью плазмы для российского токамака Глобус-М2 Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург) и в конце 2024 г. продемонстрировали в эксперименте ее эффективную работу. В течение 150 миллисекунд система контролировала и поддерживала заданное значение электронной плотности ионизированного газа в токамаке. Работа выполнялась при поддержке гранта РНФ.
На сегодняшний день в мире реализуется достаточно много проектов, посвященных управляемому термоядерному синтезу (УТС). Большинство исследований 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 одним из мировых лидеров в разработке и исследованиях открытых магнитных ловушек, при этом специалисты института принимают участие и в других проектах.
Один из таких российских экспериментов – петербургский сферический токамак Глобус-М2. Для него новосибирские физики разработали, создали и установили дисперсионный интерферометр (ДИ) – 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. В конце 2024 г. специалисты ИЯФ СО РАН оснастили редкую по функционалу диагностику дополнительной системой – системой обратной связи. Она позволяет не только контролировать уровень плотности плазмы, но и управлять им, постоянно поддерживая необходимое значение.
«Плотность и температура плазмы – два важных параметра, от которых во многом зависит успех экспериментов по УТС, – прокомментировала научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Светлана Иваненко. – 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. 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».
Для токамака Глобус-М2 специалисты ИЯФ СО РАН разработали уникальный дисперсионный интерферометр на основе СО2-лазера с длиной волны излучения ~10 микрон, обладающий минимальной чувствительностью к любого рода вибрациям. В составе штатных диагностик на токамаке дисперсионный интерферометр ИЯФ СО РАН работает уже три года.
«Важность дисперсионного интерферометра для токамака Глобус-М2 заключается в возможности мониторного измерения линейной плотности, – 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. В настоящее время на Глобус-М2 работают три диагностики для измерения плотности: СВЧ-интерферометр (с вышеуказанными оговорками), ДИ и диагностика томсоновского рассеяния. Последняя позволяет измерять профили плотности с частотой 300 Гц, что достаточно для целей управления. К недостаткам этой системы следует отнести ее сложность и, соответственно, существенно более высокую стоимость и необходимость использовать большее количество патрубков (для зондирующей и приемной аппаратуры). Таким образом у ДИ есть ряд конкурентных преимуществ при использовании на установках следующего поколения, в том числе на прототипах реакторов».
В рамках гранта РНФ и сотрудничества с питерскими коллегами специалисты ИЯФ СО РАН должны были не только создать дисперсионный интерферометр, который бы работал в измерительном режиме, но и дополнительно оборудовать его функционалом, позволяющим управлять плотностью плазмы.
«Эта автоматическая система во время эксперимента сравнивает полученные от измерительного модуля дисперсионного интерферометра значения плотности плазмы, приходящие каждые 20 микросекунд, с некоторым, заданным оператором, уровнем, на котором необходимо поддерживать текущую плотность, – 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».
По словам специалиста, на токамаке Глобус-М2 им 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 очень важны для дальнейшего развития и использования диагностики с данным функционалом на таких установках по магнитному удержанию плазмы, как токамак Т‑15МД (Москва, Курчатовский институт) и проектируемый токамак 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», – добавил Владимир Минаев.