Удержание ионов высокой энергии в сферическом токамаке нового поколения

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 21-72-20007

НазваниеУдержание ионов высокой энергии в сферическом токамаке нового поколения

Руководитель Бахарев Николай Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» 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 Термоядерный синтез, токамак, Глобус-М2, корпускулярная диагностика, нейтронная диагностика, быстрые частицы, дополнительный нагрев

Код ГРНТИ29.27.47, 29.27.35, 29.27.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен исследованию удержания ионов высокой энергии в сферическом токамаке нового поколения. Актуальность предлагаемых в проекте исследований определяется новыми перспективами использования ядерного синтеза для создания компактных источников нейтронов (КИН), а не для получения непосредственно энергии. Генерация нейтронов в такой установке будет происходить в основном в результате взаимодействия ионизованных высокоэнергичных атомов инжектированных пучков с основной плазмой токамака. Для того чтобы КИН на основе сферического токамака был коммерчески привлекательным, энергетическая эффективность установки должна быть максимальна, для чего необходимо добиться минимальных потерь частиц высокой энергии. В экспериментах на сферических токамаках предыдущего поколения – NSTX (США), MAST (Великобритания), Глобус-М (Россия) – был обнаружен высокий уровень потерь быстрых частиц. Поведение быстрых частиц в сферических токамаках нового поколения (NSTX-U, MAST-U, Глобус-М2), близких по параметрам к разрабатываемым КИН, существенно изменится. В связи с этим необходимо детально исследовать особенности удержания быстрых ионов в этих сферических токамаках, а также создать и верифицировать компьютерные коды для моделирования удержания ионов высокой энергии с целью разработки сценариев разряда будущих КИН, при которых потери быстрых частиц будут минимальны. В рамках проекта предполагается • провести исследование поведения быстрых частиц в компактном сферическом токамаке нового поколения Глобус-М2; • определить основные каналы потерь быстрых частиц; • разработать и внедрить новые компьютерные коды, позволяющие осуществлять расчеты удержания частиц высокой энергии в плазме токамака Глобус-М2; • верифицировать разработанные методы и коды в условиях реального эксперимента на токамаке Глобус-М2; • разработать методы уменьшения потерь ионов высокой энергии. • сделать оценку величины потерь быстрых частиц в проектируемых компактных источниках нейтронов; • сформулировать рекомендации для уменьшения этих потерь на основе анализа полученных данных. Научная новизна предлагаемых исследований заключается в том, что они будут проводиться на сферическом токамаке нового поколения Глобус-М2, позволяющем удерживать плазму в разряде с тороидальным магнитным полем до 1 Тл (на уровне выше мировых аналогов), при рекордной удельной мощности нагрева – до 4 МВт/м^3. Научной новизной также обладают предлагаемые методы исследования быстрых ионов, многие из которых будут применены впервые в России, а некоторые – впервые в мире. Успешная реализация настоящего проекта будет способствовать созданию эффективного и безопасного гибридного термоядерного реактора или нейтронного источника. Помимо этого, развитие методов исследования быстрых ионов позволит упростить интерпретацию данных при исследованиях плазмы на существующих лабораторных установках с магнитным удержанием плазмы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Скрекель О.М., Бахарев Н.Н., Варфоломеев В.И., Гусев В.К., Ильясова М.В., Тельнова А.Ю., Хилькевич Е.М., Шевелев А.Е. Калибровка нейтронных счетчиков токамака Глобус-М2 Журнал технической физики, том 92, вып. 1, 32-35 c (год публикации - 2022)
10.21883/JTF.2022.01.51848.151-21

2. Петров Ю.В., В.К. Гусев, Н.В. Сахаров, …, И.М.Балаченков, Н.Н. Бахарев, М.В. Ильясова, А.Д. Мельник, П.Б. Щеголев, А.Е.Шевелев, О.М. Скрекель, А.Ю. Тельнова, Е.А. Тюхменева и др. Overview of Globus-M2 spherical tokamak results at the enhanced values of magnetic field and plasma current Nuclear Fusion, V 62 P 042009 (год публикации - 2022)
10.1088/1741-4326/ac27c7

3. Баженов А.Н., Тельнова А.Ю. Комбинированный метод коррекции интервальных систем линейных алгебраических уравнений ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, Метрология, №4, с 17-39 (год публикации - 2021)
10.32446/0132-4713.2021-4-17-39

4. Бахарев Н.Н., И.М. Балаченков, В.И. Варфоломеев, В.К. Гусев, Н.С. Жильцов, Е.О. Киселев, Г.С.Курскиев, А.Д. Мельник, ..., О.М. Скрекель, А.Ю. Тельнова, Е.А. Тюхменева, Ф.В. Чернышев, П.Б. Щеголев ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНОЙ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ДИАГНОСТИКИ НА ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М2 XIX Всероссийская конференция, Диагностика Высокотемпературной плазмы, тезисы докладов, 27 сентября - 1 октября 2021, Сочи, с 157-159 (год публикации - 2021)

5. Скрекель О.М., Н.Н. Бахарев, И.М. Балаченков, …, М.В. Ильясова, А.Д. Мельник, А.Ю. Тельнова, Е.А. Тюхменева, А.Е.Шевелев, П.Б. Щеголев СОЗДАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКОЙ НЕЙТРОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ТОКАМАКА ГЛОБУС-М2 XIX Всероссийская конференция, Диагностика Высокотемпературной плазмы, тезисы докладов, 27 сентября - 1 октября 2021, Сочи, с 155-156 (год публикации - 2021)

6. Ильясова М.В., А.Е. Шевелев, Е.М. Хилькевич, Н.Н. Бахарев, ..., П.Б. Щеголев, О.М. Скрекель, А.Ю. Тельнова, В.В. Варфоломеев Neutron diagnostic system at the Globus-M2 tokamak International Conference on DIAGNOSTICS FOR FUSION REACTORS Villa Monastero, Varenna, Italy, September 6 -10, 2021, page 7 (год публикации - 2021)

7. Бахарев Н.Н., И.М. Балаченков, Ф.В. Чернышев, В.К. Гусев, Е.О. Киселев, Г.С. Курскиев, А.Д. Мельник, В.Б. Минаев, М.И. Миронов, В.Г. Несеневич, Ю.В. Петров, Н.В. Сахаров, П.Б. Щеголев, О.М. Скрекель, А.Ю. Тельнова, Е.А. Тюхменева, В.И. Варфоломеев Measurement of the fast ion distribution using active NPA diagnostics at the Globus-M2 spherical tokamak Plasma Physics and Controlled Fusion, Volume 63, Number 12,125036 (год публикации - 2021)
10.1088/1361-6587/ac3497

Публикации

1. А.Н. Баженов, А. Ю. Тельнова Обобщение коэффициента Жаккара для анализа данных с интервальной неопределённостью ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, Измерительная техника. 2022. № 12. (год публикации - 2022)

2. Скрекель О.М., Бахарев Н.Н., Варфоломеев В.И., Гусев В.К., Жильцов Н.С., ..., Тельнова А.Ю., Толстяков С.Ю., Тюхменева Е.А., Хилькевич Е.М.,Шевелев А.Е., Щёголев П.Б. РАЗВИТИЕ КОМПЛЕКСА НЕЙТРОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ТОКАМАКА ГЛОБУС-М2 XLIX Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 14–18 марта 2022, ICPAF-2022, XLIX Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу 14 – 18 марта 2022 г., г. Москва. Сборник тезисов докладов. М.: АО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2022 г. (год публикации - 2022)
10.34854/ICPAF.2022.49.1.018

3. Балаченков И.М., Бахарев Н.Н., Варфоломеев В.И., Гусев В.К., ..., Скрекель О.М., Тельнова А.Ю., Тюхменева Е.А., Хилькевич Е.М., Шевелев А.Е., Щеголев П.Б. ПОТЕРИ БЫСТРЫХ ИОНОВ, ВЫЗВАННЫЕ ТОРОИДАЛЬНЫМИ АЛЬФВЕНОВСКИМИ МОДАМИ В СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М2 XLIX Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 14–18 марта 2022, ICPAF-2022, XLIX Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу 14 – 18 марта 2022 г., г. Москва. Сборник тезисов докладов. М.: АО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2022 г. (год публикации - 2022)
10.34854/ICPAF.2022.49.1.019

4. М.В. Ильясова, А.Е. Шевелев, Е.М. Хилькевич, Н.Н. Бахарев, О.М. Скрекель, ..., И.А. Полуновский, Н.В. Сахаров, П.Б. Щеголев, А.Ю. Тельнова, В.И. Варфоломеев Neutron diagnostic system at the Globus-M2 tokamak Elsevier, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 1029 (2022) 166425 (год публикации - 2022)
10.1016/j.nima.2022.166425

Публикации

1. Бахарев Н.Н., Мельник А.Д., Чернышев Ф.В. Review of the NPA Diagnostic Application at Globus-M/M2 Atoms, 11(3), 53 (год публикации - 2023)
10.3390/atoms11030053

2. Бахарев Н.Н., Балаченков И.М., Варфоломеев В.И., Гусев В.К., Киселев Е.О., Курскиев Г.С., Мельник А.Д., Минаев В.Б., Петров Ю.В., Сахаров Н.В., Скрекель О.М., Тельнова А.Ю., Токарев В.А., Тюхменева Е.А., Чернышев Ф.В., Щеголев П.Б. Тепловая нагрузка на стенку токамака Глобус-М2 из-за потерь быстрых ионов во время тороидальных альфвеновских мод Физика плазмы (год публикации - 2023)

3. Бахарев Н. Н., Балаченков И. М., Чернышев Ф. В., Гусев В. К., Илиясова М. В., Киселев Е. О., Корнев В. А., Курскиев Г. С., Мельник А. Д., Минаев В. Б., Сахаров Н. В., Щеголев П. Б., Скрекель О. М., Тельнова А. Ю., Тухменева Е. А. TAE-induced fast ion losses and transport at the Globus-M/M2 spherical tokamaks Physics of Plasmas, 30, 072507 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0156337

4. Киселев Е.О., Балаченков И.М., Бахарев Н.Н., Варфоломеев В.И., Гусев В.К, Мельник А.Д., Минаев В.Б., Патров М.И., Сахаров Н.В., Скрекель О.М., Тельнова А.Ю., Тюхменева Е.А., Щеголев П.Б. Синтетическая диагностика спектров атомов перезарядки для исследования влияния МГД-неустойчивостей на удержание быстрых частиц в сферических токамаках Глобус-М/М2 Физика плазмы (год публикации - 2023)

5. Бахарев Н.Н., Балаченков И.М., Гусев В.К., Киселев Е.О.,Минаев В.Б.,Сахаров Н.В., Скрекель О.М., Тельнова А.Ю.,Тюхменева Е.А., Шевелев А.Е., Щеголев П.Б., Яшин А.Ю. ТРАНСПОРТ И ПОТЕРИ ИОНОВ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ, ИНИЦИИРОВАННЫЕ ТОРОИДАЛЬНЫМИ АЛЬФВЕНОВСКИМИ МОДАМИ НА ТОКАМАКАХ ГЛОБУС-М/М2 L Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу 20 – 24 марта 2023 г., L Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу 20 – 24 марта 2023 г., г. Звенигород. Сборник тезисов докладов. М.: АО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2023 г. – 346 с (год публикации - 2023)
10.34854/ICPAF.2023.50.2023.1.1.004

6. Скрекель О.М., Бахарев Н.Н., Жильцов Н.С., Минаев В.Б.,Сахаров Н.В., Тельнова А.Ю., Ткаченко Е.Е., Тюхменева Е.А., Шулятьев К.Д., Щёголев П.Б ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОННОГО ВЫХОДА НА ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М2 L Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу 20 – 24 марта 2023 г, L Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу 20 – 24 марта 2023 г., г. Звенигород. Сборник тезисов докладов. М.: АО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2023 г. – 346 с. (год публикации - 2023)
10.34854/ICPAF.2023.50.2023.1.1.040

7. Бахарев Н.Н., Балаченков И.М., Жильцов Н.С., Минаев В.Б., Сахаров Н.В., Скрекель О.М., Тельнова А.Ю., Ткаченко Е.Е.,Тюхменева Е.А.,Шулятьев К.Д., Щеголев П.Б. ДИАГНОСТИКА БЫСТРЫХ ИОНОВ НА ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М2 XX Всероссийская конференция Диагностика высокотемпературной плазмы, 18 сентября – 22 сентября 2023г. г. Сочи, АО «Т8 Издательские технологии», г. Москва, XX Всероссийская конференция Диагностика высокотемпературной плазмы, 18 сентября – 22 сентября 2023г. г. Сочи, АО «Т8 Издательские технологии», г. Москва (год публикации - 2023)

8. Скрекель О.М., Бахарев Н.Н., Жильцов Н.С., Минаев В.Б.,Сахаров Н.В., Тельнова А.Ю., Ткаченко Е.Е., ТТюхменева Е.А., Шулятьев К.Д., Щёголев П.Б ДИАГНОСТИКА НЕЙТРОННЫХ ПОТОКОВ И ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М2 XX Всероссийская конференция Диагностика высокотемпературной плазмы, 18 сентября – 22 сентября 2023г. г. Сочи, АО «Т8 Издательские технологии», г. Москва, XX Всероссийская конференция Диагностика высокотемпературной плазмы, 18 сентября – 22 сентября 2023г. г. Сочи, АО «Т8 Издательские технологии», г. Москва (год публикации - 2023)

9. Петров Ю.В., Бахарев Н.Н., Ермаков Н.В., Жильцов Н.С., Минаев В.Б., Сахаров Н.В., Скрекель О.М., Тельнова А.Ю., Ткаченко Е.Е., Тюхменева Е.А., Щёголев П.Б., Шулятьев К.Д. и др ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС СФЕРИЧЕСКОГО ТОКАМАКА ГЛОБУС-М2 Физика плазмы, том 49, No 12, с. 1–22 (год публикации - 2023)
10.31857/S036729212360084X

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведены экспериментальные исследования нейтронного выхода токамака в разрядах с тороидальным магнитным полем от 0,5 Тл до 0,9 Тл и током плазмы от 200 кА до 400 кА при инжекции дейтерия мощностью до 1,2 МВт. Проведены расчеты нейтронного выхода на основе функций распределения быстрых ионов, рассчитанных кодом ASCOT, позволяющим моделировать орбиты частиц без использования дрейфового приближения, и кодом NUBEAM, использующим дрейфовое приближение. Значения нейтронного выхода, полученные в результате моделирования на основе полноорбитных расчетов и расчетов в дрейфовом приближении, могут существенно отличаться друг от друга. Различия могут достигать 20% и зависят от магнитной конфигурации плазмы. При этом экспериментально измеренный нейтронный выход сильно меньше, чем его рассчитанные значения. Данное расхождение связано с развитием МГД-неустойчивостей в плазме, которые не учитываются при расчете функций распределения быстрых частиц. С помощью кода Geant4 проведен расчет ожидаемых нейтронных потоков на 10В детекторы для типичного разряда токамака Глобус-М2 (источник нейтронов – плазма), для in situ калибровки нейтронной диагностики (источник нейтронов – AmBe) и для сценария с испусканием нейтронов как при калибровке, но с энергией 2.45 МэВ. Сравнение результатов моделирования для каждого из сценариев позволило оценить величины поправок для калибровочного коэффициента, учитывающие различия в пространственном распределении и в энергетическом спектре плазменного и калибровочного нейтронного источника. Из полученных поправок следует, что различие в геометрии источников влияет слабо (относительная разница значений ~3%), в то время как различие в энергетическом спектре приводит к разному прохождению нейтронов через слой полиэтилена толщиной > 4 см и поправка достигает ~20-50%. Впервые выполнены экспериментальные измерения нагрева стенки сферического токамака из-за потери быстрых ионов во время тороидальных альфвеновских мод с помощью двуцветного пирометра. Получена временная зависимость температуры стенки и локального теплового потока на нее во время вспышки тороидальной альфвеновской моды. Оказалось, что падающий тепловой поток быстрых частиц можно разделить на два компонента: «быстрый» когерентный (по отношению к сигналу магнитного зонда) и «медленный» некогерентный. Когерентный поток тепла определяется резонансным механизмом переноса. Также было сделано предположение о том, что некогерентный поток тепла связан с потерями быстрых ионов на перезарядку. Данное предположение было подтверждено с помощью моделирования. Проведенные расчеты и анализ экспериментальных данных показали, что оба механизма потерь быстрых ионов – орбитальные и на перезарядку – обусловлены конвективным резонансным механизмом транспорта быстрых ионов из центра плазмы на периферию. В токамаке Глобус-М2 были обнаружены продолжительные гармоники тороидальной альфвеновской моды (TAE) длительностью порядка нескольких миллисекунд. При этом продолжительная мода порождает набор из нескольких неэквидистантных гармоник с убывающей с номером n амплитудой. Появление неэквидистантных гармоник может быть объяснено «расщеплением» частоты моды за счет эффекта Доплера, возникающего вследствие вращения плазмы. Частота, оцененная по данным магнитных измерений TAE, оказалась выше максимальной частоты вращения, измеренной в разряде с помощью спектроскопического метода (CXRS), но сильно коррелировала с ней (коэффициент корреляции r = 0.92). Разница вращения, измеренного двумя способами, составляла примерно 10 кГц и, скорее всего, определялась отличием в скорости вращения ионов основной плазмы и частиц примеси С, используемых для измерений диагностикой CXRS. Для уточнения восстановления нейтронного спектра были выбраны методы регуляризации и априорные ограничения. В качестве итогового метода решения обратной задачи был выбран метод максимального правдоподобия. В качестве методов регуляризации были выбраны неотрицательность и гладкость решения. Параметры регуляризации были подобраны статистическим методом. Подобранные на основании оптимизации параметры улучшили энергетическое разрешение восстановления спектра. Это отразилось в уменьшении ширины пика 2.45 МэВ от DD нейтронов, а также в появлении на спектре пика 1.8–2.1 МэВ от нейтронов, однократно рассеянных на углероде. Выполнены расчеты потерь быстрых ионов при инжекции атомов высокой энергии в проектируемом токамаке Глобус-3. При работе с плотностью плазмы 10^20 м^-3 полные потери будут составлять около 8%, что в несколько раз меньше, чем на токамаке Глобус-М2. При этом данные потери будут полностью определяться потерями на перезарядку. При работе с низкой плотностью (2*10^19 м^-3) основным каналом потерь будут потери на пролет, а полные потери составят около 20%. Орбитальные потери из-за попадания в стенку будут пренебрежимо малы во всех режимах работы. Рассчитана зависимость потерь от энергии инжекции и от прицельного параметра инжекции. На основе расчетов сформулированы рекомендации по выбору энергии инжекции и расположению инжекторов атомов высокой энергии в установке. Оптимально использовать инжектор с энергией 50 кэВ, расположенный в экваториальной плоскости с прицельным параметром 0.65м. Такой набор параметров позволит получить низкий уровень потерь быстрых частиц, возможность установки ловушки для неперезарядившихся атомов напротив пучка, а также эффективность генерации тока увлечения около 25 кА на 1 МВт инжекции.

Публикации

1. Балаченков И.М., Петров Ю.В., Гусев В.К., Бахарев Н.Н., Жильцов Н.С., Курскиев Г.С., Минаев В.Б., Мирошников И.В., Пономаренко А.М., Сахаров Н.В., Тельнова А.Ю., Ткаченко Е.Е., Щеголев П.Б., Яшин А.Ю. Effect of Plasma Toroidal Rotation on Toroidal Alfven Eigenmode Spectrum in Globus-M2 Spherical Tokamak Plasma Physics Reports, Vol. 50, No. 7, pp. 765–772 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063780X24600713

2. Курскиев Г.С., Минаев В.Б., Сахаров Н.В., Бахарев Н.Н., Балаченков И.М., Киселев Е.О., Мельник А.Д., Новохацкий А.Н., Патров М.И., Щеголев П.Б., Шевелев А.Е., Шулятьев К.Д., Скрекель О.М., Солоха В.В., Тельнова А.Ю., и др Confinement, heating, and current drive study in Globus-M2 toward a future step of spherical tokamak program in Ioffe Institute Physics of Plasmas, 31, 062511 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0211866

Возможность практического использования результатов
Результаты могут быть востребованы при осуществлении национальной программы развития технологий УТС и плазменных технологий. Полученные результаты помогут оптимизировать сценарии разрядов в компактных источниках нейтронов на базе сферического токамака (КИН). Это предотвратит потери быстрых частиц и связанное с ними уменьшение нейтронного выхода в КИН и увеличит их эффективность. В ближайшей перспективе результаты будут востребованы при проектировании водородного прототипа источника нейтронов – сферического токамака Глобус-3.