Коллектив ученых из Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», МФТИ и МИФИ представил усовершенствованную концепцию оптоволоконного датчика для измерения тока плазмы в токамаке Т-15МД. Предложенная схема, основанная на тонких физических эффектах и синергии методик обработки экспериментальных сигналов, взятых из разных областей физики, способна избавиться от недостатков традиционных методов измерения токов, и открывает путь к созданию надежной системы контроля и управления плазмой в термоядерных реакторах будущего.
Главным героем любого термоядерного романа является плазма — ионизированный газ, разогретый до нескольких кэВ (сотен миллионов градусов!). Удержание этой невероятно горячей субстанции в пределах вакуумной камеры осуществляется с помощью внешних магнитных полей. Одним из ключевых параметров, определяющих стабильность и эффективность всей установки типа «токамак» (Тороидальной камеры с магнитными катушками), является величина тока, протекающего по плазме. Этот ток, достигающий нескольких мегаампер, не только дополнительно разогревает плазму, но и создает магнитную конфигурацию, эффективно удерживающую горячие ионы в заданной области пространства. Максимально точный и непрерывный контроль (‘real-time’) за его величиной — основа основ эффективной и надежной эксплуатации токамака-реактора.
Небольшие отклонения могут привести к потере устойчивости плазмы и срыву разряда. На протяжении десятилетий для этой задачи использовались стандартные электротехнические методы: пояс Роговского, работающий по принципу электромагнитной индукции, и датчики Холла. Однако с развитием технологий и переходом к установкам, способным работать в длительных, квазистационарных режимах — именно таких, какие потребуются для будущих термоядерных электростанций, — недостатки этих классических подходов становятся все более очевидными.
Индуктивные датчики измеряют не сам ток, а лишь его производную, что требует последующего интегрирования сигнала. В условиях сильных радиационных нагрузок и длительных импульсов это неизбежно приводит к накоплению ошибки и «дрейфу» — искажению показаний. Однако, они измеряют лишь тот ток, который протекает внутри их контура, и игнорируют внешние токи и магнитные поля. Датчики Холла, в свою очередь, измеряют магнитное поле напрямую и локально, но очень чувствительны к посторонним полям от других систем токамака, что затрудняет выделение полезного сигнала. Перед учеными, работающими над созданием демонстрационного токамака-реактора, встала необходимость в разработке диагностических систем, основанных на совершенно иных физических принципах, лишенных этих недостатков. Значительный шаг вперед для решения этой задачи произвел коллектив российских физиков, предложив усовершенствованную концепцию оптоволоконного датчика тока (ОДТ) для токамака Т-15МД.
Токамак Т-15МД – крупнейшая в России термоядерная установка, расположенная в НИЦ «Курчатовский институт». С одной стороны, она является местом приложения знаний, полученных странами-участницами в рамках реализации международного проекта ИТЭР, с другой стороны – на ней планируется отработка технологий будущего термоядерного источника нейтронов.
В основе работы ОДТ лежит магнитооптический эффект Фарадея — явление, при котором плоскость поляризации света, проходящего через среду, поворачивается под действием внешнего магнитного поля. В магнитном поле происходит расщепление уровней поглощения в веществе (обратный эффект Зеемана), что приводит к различию коэффициента преломления для левых и правых круговых поляризаций излучения. Если обернуть магнитооптическое волокно вокруг плазменного шнура, то магнитное поле, создаваемое током плазмы, будет «проворачивать» поляризацию света внутри волокна за счет разной скорости распространения компонент его поляризации, при этом угол поворота будет прямо пропорционален току плазмы. Такой подход позволяет измерять ток напрямую, не требует интегрирования, а само оптоволокно, будучи диэлектриком, абсолютно невосприимчиво к электромагнитным помехам и не требует гальванической развязки от установки. Таким образом виток магниточувствительного оптического волокна вокруг плазмы объединяет в себе достоинства классических методов: и пояса Роговского, и датчика Холла.
Ученые из Курчатовского института, МФТИ и МИФИ предложили не просто использовать известный эффект, но разработали усовершенствованную и гораздо более надежную схему его применения. Проанализировав мировой опыт использования ОДТ на ведущих токамаках мира, таких как JET (Европа), EAST (Китай) и WEST (бывш. Tore-Supra, Франция), они создали концепцию двухпроходной отражательной системы, работающей по принципу интерферометрии – зондированию на промежуточной частоте.
Ключевым нововведением является то, что в предложенной схеме лазерный луч, имея не плоскую, а круговую поляризацию, сначала проходит через специальное устройство — акустооптический модулятор, где разделяется на два когерентных пучка. Один из них, опорный, получает небольшой сдвиг по частоте. Второй, измерительный, отправляется в путешествие по оптоволокну, лежащему внутри вакуумной камеры токамака и опоясывающему плазму. Пройдя по контуру, луч отражается от специального фарадеевского зеркала, где меняет направление своего вращения, и возвращается обратно по тому же пути.
Такой двойной проход удваивает полезный эффект поворота поляризации, но, что еще важнее, компенсирует паразитные эффекты, вызванные механическими вибрациями и напряжениями в волокне, которые искажают измерения. На выходе измерительный луч смешивается с опорным. При этом появляется возможность уйти от вычисления угла поворота плоскости поляризации луча исходя из интенсивности на детекторе, а измерять разность фаз между опорным и детектированным лучами. Эта разность фаз напрямую и с высокой точностью связана с углом поворота Фарадея, а значит, и с током плазмы. Такой переход от измерения амплитуды к измерению разности фаз на промежуточной частоте кардинально повышает диапазон измерений, помехоустойчивость и точность всей системы.
Георгий Саранча, ассистент кафедры физики и химии плазмы МФТИ и младший научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт», прокомментировал: «Оптоволоконный датчик — это прецизионная оптическая диагностика для измерения электрического тока. Он является главным кандидатом к использованию в качестве основного инструмента для измерения тока плазмы в токамаке-реакторе, поскольку обладает рядом существенных достоинств по сравнению со своими электромагнитными конкурентами — поясом Роговского и датчиком Холла. Однако различные схемы детектирования измеряемого параметра – угла Фарадея, традиционно используемые в ОДТ, все же обладают недостатками, которые мы предлагаем решить, перейдя, подобно интерферометрическим диагностикам, к измерению на промежуточной частоте».
Согласно оценкам, предложенная концепция позволит проводить измерения во всем проектном диапазоне токов плазмы токамака Т-15МД, вплоть до двух мегаампер, с погрешностью не более 0,5 килоампера и временным разрешением около 100 микросекунд. Этого более чем достаточно не только для стабильного удержания плазмы, но и для изучения быстрых процессов, таких как развитие неустойчивостей и срыв разряда. Моделирование показало, что с учетом всех известных на настоящий момент источников ошибок, регистрируемый сигнал будет отражать реальный ток по плазме с очень малой погрешностью благодаря высокоточной методике измерения разности фаз двух высокочастотных сигналов.
Уникальность работы заключается в комплексном подходе, объединяющем глубокий анализ мирового опыта с предложением оригинальной измерительной схемы, адаптированной под конкретные условия установки Т-15МД и ориентированной на требования будущих термоядерных реакторов. Перенос измерений из области поляриметрии в область известных приемов интерферометрии является элегантным шагом вперед по сравнению с ранее реализованными на других установках оптоволоконными датчиками. Эта методика позволит упрочнить позиции ОДТ как основного инструмента для измерений в токамаках-реакторах, где надежность и точность диагностики будут иметь первостепенное значение для безопасности и эффективности установки, в том числе коммерческой. Следующим шагом для команды исследователей станет создание и стендовые испытания прототипа устройства, после чего оно может быть установлено непосредственно на токамаке Т-15МД для проверки концепции в реальных условиях эксперимента.