Моделирование магнитных ловушек и процессов формирования магнитоплазменных конфигураций с использованием высокопроизводительных вычислительных комплексов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-11-10278

НазваниеМоделирование магнитных ловушек и процессов формирования магнитоплазменных конфигураций с использованием высокопроизводительных вычислительных комплексов

Руководитель Козлов Андрей Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-217 - Математическое моделирование физических сред

Ключевые слова физико-математические модели, МГД-модели, математическое моделирование, вычислительная математика, высокопроизводительные вычислительные системы, плазмодинамика, плазмостатика, магнитные ловушки, равновесие и устойчивость, течения ионизующегося газа и плазмы, коаксиальные плазменные ускорители

Код ГРНТИ27.35.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью работы является разработка и развитие МГД моделей, программных комплексов и проведение вычислительных экспериментов для анализа процессов в существующих и перспективных магнитных ловушках для удержания плазмы в рамках проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС). Актуальность проекта связана с ролью магнитных ловушек в работах по управляемому термоядерному синтезу. Проект направлен также на создание новых моделей и программных кодов радиационной магнитной газодинамики, развитие ранее проведенных исследований и выявление фундаментальных свойств потоков ионизующегося газа и плазмы в многофункциональных системах квазистационарных сильноточных плазменных ускорителей (КСПУ) и магнитоплазменных компрессоров нового поколения, рассматриваемых в качестве инжекторов для термоядерных установок. Ловушки «Галатеи» с левитирующими и погруженными в плазму проводниками позволяют создать магнитоплазменные конфигурации, для которых силовые линии магнитного поля являются вогнутыми в плазменный объем. Это обеспечивает базовый принцип устойчивости и возможность эффективного удержания плазмы. Разнообразие ловушек «Галатей» предполагает разработку новых моделей плазмостатики, а также дальнейшее исследование и сравнительный анализ результатов, полученных авторами проекта на основе предшествующих моделей. Разрабатываемые модели плазмодинамики предназначены для нового направления исследований динамических процессов формирования магнитоплазменных конфигураций в различных магнитных ловушках. Важной научной задачей с учетом опыта, накопленного авторами проекта, является продолжение исследований устойчивости равновесных плазменных конфигураций в магнитных ловушках с различной топологией магнитных поверхностей и сепаратрис, включая современные токамаки и международный проект ИТЭР. Одна из проблем токамаков связана с ЭЛМ событиями и срывами. В рамках проекта планируется разработка соответствующих новых моделей. Инжекция плазмы в модифицированные многопробочные ловушки может быть реализована с помощью КСПУ нового поколения с дополнительным продольным магнитным полем. Основы теории КСПУ нового поколения, включая численные модели, разработаны авторами проекта. В рамках проекта предполагается создание новых МГД моделей динамики вращающихся потоков плазмы в трехкомпонентном магнитном поле для исследования инжекции в систему колец с током в модифицированной многопробочной ловушке, а также численное исследование процессов на встречных высокоэнергетичных потоках плазмы. Дальнейшее развитие нового направления исследований авторов проекта, а именно, двухжидкостной электромагнитной газодинамики (ЭМГД) позволит изучить влияние инерции электронов на рассматриваемые магнитоплазменные конфигурации и динамку потоков плазмы. Научная новизна и актуальность исследований определяется также участием в разработках новых экспериментальных установок и новыми подходами к численному моделированию плазменных процессов. Численное решение многомерных, в общем случае, нестационарных МГД задач, включая задачи радиационной магнитной газодинамики, предполагает разработку алгоритмов, предназначенных для реализации на параллельных вычислительных комплексах. Использование неструктурных и адаптивных сеток позволит увеличить точность и эффективность разработанных алгоритмов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Брушлинский К.В., Гольдич А.С. Mathematical model of the Galathea-Belt toroidal magnetic trap. Differential Equations, Vol. 52, No. 7, pp. 845-854 (год публикации - 2016)
10.1134/S0012266116070041

2. Гавриков М.Б., Савельев В.В. Взаимодействие уединенных волн в двухжидкостной магнитной гидродинамике в продольном магнитном поле. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки, № 1, с. 59-77 (год публикации - 2017)
10.18698/1812-3368-2017-1-59-76

3. Мартынов А.А., Медведев С.Ю., Иванов А.А., Пошехонов Ю.Ю. Modelling of tokamak plasma with SOL: MHD stability with finite current density at the separatrix. Europhysics Conference Abstracts, 43rd EPS Conference on Plasma Physics, 4 - 8 July 2016, Leuven, Belgium, Vol. 40, P2.063 (год публикации - 2016)

4. Медведев С.Ю., Пустовитов В.Д. On growth rates and scalings for slow and fast resistive wall modes. Europhysics Conference Abstracts, 43rd EPS Conference on Plasma Physics, 4 - 8 July 2016, Leuven, Belgium, Vol. 40, P2.062 (год публикации - 2016)

5. Таюрский А.А., Гавриков М.Б. Spatial Nonlinear Absorption of Alfven Waves by Dissipative Plasma Taking Account Bremsstrahlung. AIP Conference Proceedings, Eight International Conference on Application of Mathematics in Technical and Natural Sciences, Albena, Bulgaria, 22 - 27 June, 2016., Vol. 1773, Paper number 090003, pp. 1-14 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4964994

6. Козлов А.Н., Коновалов В.С. 3D модель переноса излучения в потоках ионизующегося газа и плазмы. ИПМ им. М.В.Келдыша, препринт № 86. 32 с. (год публикации - 2016)
10.20948/prepr-2016-86

7. Брушлинский К.В., Гольдич А.С., Давыдова Н.А. Плазменные конфигурации в ловушках-галатеях и токовых слоях. Математическое моделирование, т. 28, № 7, с. 107-120 (год публикации - 2016)

8. Ren J., Liu Y.Q., Liu Y., Медведев С.Ю., Wang Z., Xia G. A comparative study of ideal kink stability in two reactor-relevant tokamak plasma configurations with negative and positive triangularity. Plasma Physics and Controlled Fusion, Vol. 58, No. 11, Ar. 115009, 11 pp. (год публикации - 2016)
10.1088/0741-3335/58/11/115009

9. Брушлинский К.В. Математические основы вычислительной механики жидкости, газа и плазмы. Издательский Дом "Интеллект" , г. Долгопрудный, 272 с. (год публикации - 2016)

10. Медведев С.Ю., Мартынов А.А., Дроздов В.В., Иванов А.А., Пошехонов Ю.Ю. High resolution equilibrium calculations of pedestal and SOL plasma in tokamaks Plasma Physics and Controlled Fusion (год публикации - 2017)

11. Гавриков М.Б., Таюрский А.А. Пространственное нелинейное поглощение альфвеновской диссипативной плазмой. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. (год публикации - 2017)

Публикации

1. Бишаев А.М., Гавриков М.Б., Козинцева М.В., Савельев В.В. Propagation of Plasma Bunches through a Transverse Magnetic Barrier. Technical Physics (Журнал технической физики) (год публикации - 2018)
10.1134/S1063784218010073

2. Козлов А.Н., Коновалов В.С. Модель неравновесного процесса ионизации с учетом поуровневой кинетики и переноса излучения в канале плазменного ускорителя. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, № 103, С. 1-28 (год публикации - 2017)
10.20948/prepr-2017-103

3. Козлов А.Н., Коновалов В.С. Numerical study of the ionization process and radiation transport in the channel of plasma accelerator. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, V. 51, P. 169-179 (год публикации - 2017)
10.1016/j.cnsns.2017.04.014

4. Брушлинский К.В., Стёпин Е.В. On the magnetohydrodynamics flows in curved coaxial channels. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 788, Ar. 012009, P. 1-6 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/788/1/012009

5. Брушлинский К.В., Кондратьев И.А. Сравнительный анализ расчетов равновесия плазмы в тороидальных и цилиндрических магнитных ловушках. Математическое моделирование (год публикации - 2018)

6. Козлов А.Н. МГД модель взаимодействия потока плазмы из КСПУ с магнитным полем кольцевых проводников с током. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, № 93, C. 1-36 (год публикации - 2017)
10.20948/prepr-2017-93

7. Мартынов А.А., Медведев С.Ю. Axisymmetric mode stability in tokamak plasma with finite current density at the separatrix. Europhysics Conference Abstracts, 44rd EPS Conference on Plasma Physics, 26 - 30 June 2017, Belfast, Nothern Ireland, UK, Vol. 41, P4.135, P. 1-4 (год публикации - 2017)

8. Гавриков М.Б., Савельев В.В. Interaction of solitary waves in longitudinal magnetic field in two-fluid MHD. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 788, Ar. 012014, P. 1-6 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/788/1/012014

9. Козлов А.Н. The study of plasma flows in accelerators with thermonuclear parameters. Plasma Physics and Controlled Fusion, V. 59, N. 11, Ar. 115004, P. 1-7 (год публикации - 2017)
10.1088/1361-6587/aa86be

10. Медведев С.Ю., Мартынов А.А., Дроздов В.В., Иванов А.А., Пошехонов Ю.Ю., Коновалов С.В., Villard L. MHD stability and energy principle: beyond nested flux surfaces. Europhysics Conference Abstracts, 44rd EPS Conference on Plasma Physics, 26 - 30 June 2017, Belfast, Nothern Ireland, UK, Vol. 41, O4.125, P. 1-4 (год публикации - 2017)

11. Брушлинский К.В., Гольдич А.С. Plasmastatic model of toroidal trap «Galatea-belt» Journal of Physics: Conference Series, Vol. 788, Ar. 012008, P. 1-6 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/788/1/012008

12. Merle A., Sauter O., Медведев С.Ю. Pedestal properties of H-modes with negative triangularity using the EPED-CH model. Plasma Physics and Controlled Fusion, V. 59, N 10, Ar. 104001, P. 1-12 (год публикации - 2017)
10.1088/1361-6587/aa7ac0

Публикации

1. Козлов А.Н. МГД модель взаимодействия потока плазмы в КСПУ с магнитным полем кольцевого проводника с током. Физика плазмы (год публикации - 2019)

2. Козлов А.Н., Коновалов В.С. Radiation transport in ionizing gas flow within the quasi-steady plasma accelerator. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 946, Ar. 012165, P. 1-10 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/946/1/012165

3. Козлов А.Н. The study of high-velocity flow injection into the set of magnetic field coils coupled to plasma accelerator. Plasma Physics and Controlled Fusion (год публикации - 2019)

4. Козлов А.Н., Коновалов В.С., Савельев В.В. Сравнительный анализ равновесных конфигураций и переноса излучения в ловушках-галатеях «Тримикс» и «Тримикс-3М». Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, № 182, c. 1-28 (год публикации - 2018)
10.20948/prepr-2018-182

5. Козлов А.Н. Компрессионные течения плазмы в КСПУ при наличии сильного продольного магнитного поля. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, № 217, c. 1-20 (год публикации - 2018)
10.20948/prepr-2018-217

6. Медведев С.Ю., Мартынов А.А., Дроздов В.В., Иванов А.А., Пошехонов Ю.Ю., Коновалов С.В., Виллард Л. МГД устойчивость и энергетический принцип без предположения о вложенности магнитных поверхностей двумерных равновесий. Физика плазмы (год публикации - 2019)

7. Козлов А.Н., Коновалов В.С. The Study of Radiation Transport and Plasma Dynamics Based on the MHD Model in the Multi-Mirror Trap Connected with Plasma Accelerator. Proceedings of the 17th International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics, p. 171-176 (год публикации - 2018)

8. Савельев В.В. Опыт применения уравнений Морозова – Соловьева для тороидальной магнитной ловушки. Физика плазмы (год публикации - 2019)

9. Савельев В.В. Solitary waves in the Hall magnetohydrodynamics. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1094, Ar. 012031, P. 1-4 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1094/1/012031

10. Бишаев А.М., Гавриков М.Б., Козинцева М.В., Савельев В.В., Смирнов П.Г. Исследование мультипольных ловушек-галатей в РТУ МИРЭА. Физика плазмы (год публикации - 2019)

11. Гавриков М.Б., Таюрский А.А. Nonlinear Spatial Absorption of Alfven Waves by Dissipative Plasma. Journal of Physics: Conference Series, 2017, Vol. 927, Ar. 012020, P. 1-5 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/927/1/012020

12. Гавриков М.Б., Таюрский А.А. The Influence of Plasma Inhomogeneity and Incident Wave Frequency on the Nonlinear Spatial Absorption of Alphven Waves In Dissipative Plasma. Journal of Physics: Conference Series, 2017, Vol. 937, Ar. 012014, P. 1-8 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/937/1/012014

13. Гавриков М.Б., Таюрский А.А. Влияние плазменной неоднородности и частоты альфвеновской волны на её поглощение диссипативной плазмой. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки», № 3. C. 82–96. (год публикации - 2018)
10.18698/1812-3368-2018-3-82-96

14. Гавриков М.Б., Таюрский А.А. Numerical analysis of plasma column dynamics in two-fluid EMHD. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1103, Ar. 012005, P. 1-9 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1103/1/012005

15. Брушлинский К.В., Жданова Н.С., Стёпин Е.В. Acceleration of Plasma in Coaxial Channels with Preshaped Electrodes and Longitudinal Magnetic Field. Computational Mathematics and Mathematical Physics, V. 58, No. 4, pp. 593-603 (год публикации - 2018)
10.1134/S0965542518040085

16. Брушлинский К.В., Кондратьев И.А. Numerical simulation of equilibrium plasma configurations in toroidal magnetic traps and their cylindrical analogues. Journal of Physics: Conference Series, 2017, Vol. 937, Ar. 012006, P. 1-8 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/937/1/012006

17. Brushlinskii K.V., Stepin E.V. Numerical models in applied plasmadynamic and plasmastatic problems. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1103, Ar. 012004, P. 1-8 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1103/1/012004

18. Брушлинский К.В., Стёпин Е.В. Numerical simulation of plasma flows in curved coaxial ducts with longitudinal magnetic field. Journal of Physics: Conference Series, 2017, Vol. 937, Ar. 012007, P. 1-7 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/937/1/012007

19. Гавриков М.Б., Таюрский А.А. Влияние синхротронного и фоторекомбинационного излучений на нелинейное поглощение альфвеновской волны диссипативной плазмой. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, № 234. C. 1–19. (год публикации - 2018)
10.20948/prepr-2018-234

20. Медведев С.Ю., Мартынов А.А., Савельев В.В., Козлов А.Н. Расчеты идеальной МГД устойчивости плазмы в ловушке-галатее «Тримикс». Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша, № 253, с. 1-16 (год публикации - 2018)
10.20948/prepr-2018-253