Полностью кинетическое моделирование эксперимента по обращению магнитного поля в процессе атомарной инжекции на установке КОТ

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 21-72-10071

НазваниеПолностью кинетическое моделирование эксперимента по обращению магнитного поля в процессе атомарной инжекции на установке КОТ

Руководитель Берендеев Евгений Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" , Новосибирская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые слова физика плазмы, управляемый термоядерный синтез, системы магнитного удержания плазмы, открытые магнитные ловушки, численное моделирование плазмы

Код ГРНТИ29.27.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из важнейших вызовов 21 века для физических и инженерных наук является создание коммерчески рентабельного реактора на основе управляемого термоядерного синтеза (УТС). Успешная реализация таких систем позволит человечеству перейти к экологически чистой энергетике с практически неисчерпаемым источником топлива. Данный проект направлен на развитие одного из направлений УТС, а именно на создание термоядерного реактора с высоким относительным давлением плазмы, которое может достигаться в конфигурациях с обращённым магнитным полем. Одним из возможных способов формирования такой конфигурации в плазме является внеосевая инжекция атомарных пучков в осесимметричную открытую магнитную ловушку. За счёт перезарядки в предварительно созданной мишенной плазме нейтральные атомы превращаются в высокоэнергетичные ионы. Если энергия инжектированных частиц такова, что ларморовский радиус образовавшихся ионов равен прицельному параметру их инжекции, в плазме накапливается азимутальный ток. При достаточно высокой мощности нейтральной инжекции этот ток способен существенно ослабить и даже обратить магнитное поле, создаваемое внешними катушками. В результате внутри плазмы появляется возможность реализации равновесных конфигураций типа диамагнитного пузыря с полностью вытесненным магнитным полем или компактного тороида с чисто полоидальным магнитным полем. Наиболее привлекательная особенность этих равновесных конфигураций с точки зрения реакторных перспектив состоит в том, что давление удерживаемой плазмы в них может достигать давления вакуумного магнитного поля, что на порядок выше, чем в традиционных токамаках. В настоящее время в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН осуществляется запуск новой установки КОТ (Компактный Осесимметричный Тороид), эксперименты на которой должны показать принципиальную возможность реализации как режима диамагнитного пузыря, так и режима обращения магнитного поля посредством внеосевой инжекции нейтральных пучков. Для детальной интерпретации результатов этих экспериментов в рамках данного проекта предполагается создать вычислительный комплекс, с помощью которого данная задача будет промоделирована с точки зрения разных приближений, что позволит детально изучить физические процессы на разных временных и пространственных масштабах. Будут реализованы как полностью кинетические, более детальные, но и более ресурсоёмкие, так и гибридные численные модели, способные описывать процессы формирования равновесных конфигураций с высоким относительным давлением плазмы на реальных пространственных и временных масштабах эксперимента. Проведённые в рамках данного Проекта исследования будут являть собой первый в мире пример полностью кинетического моделирования процесса обращения магнитного поля при инжекции атомарных пучков в плазму открытой магнитной ловушки. Впервые вопрос формирования конфигураций с обращённым полем с помощью атомарной инжекции и их устойчивости будет изучен с помощью полномасштабных трёхмерных расчётов на временах реального эксперимента. Получаемые уже во время выполнения Проекта новые знания о динамике рассматриваемой пучково-плазменной системы будут актуальны для проводимого параллельно эксперимента на установке КОТ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Куршаков В.А., Тимофеев И.В. The role of electron current in high-β plasma equilibria Physics of Plasmas, Phys. Plasmas 30, 092513 (2023) (год публикации - 2023)
10.1063/5.0153855

2. Берендеев Е.А., Тимофеев И.В., Куршаков В.А. Energy and charge conserving semi-implicit particle-in-cell model for simulations of high-pressure plasmas in magnetic traps Computer Physics Communications, Computer Physics Communications, Volume 295, February 2024, 109020 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cpc.2023.109020

3. Берендеев Е.А., Тимофеев И.В. Параллельный алгоритм для полунеявного метода частиц в ячейках с сохранением энергии и заряда Сибирский журнал вычислительной математики (год публикации - 2024)

4. I. V. Timofeev; V. A. Kurshakov; E. A. Berendeev Formation of cylindrical plasma equilibria with β > 1 Physics of Plasmas, Vol 31, 082512 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0216073

Публикации