Управление плотностью плазмы в разряде сферического токамака при помощи дисперсионной интерферометрии

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 21-79-20201

НазваниеУправление плотностью плазмы в разряде сферического токамака при помощи дисперсионной интерферометрии

Руководитель Багрянский Петр Андреевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

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 09 - Инженерные науки; 09-506 - Ядерные и термоядерные технологии

Ключевые слова сферический токамак, диагностика плазмы, интерферометрия, дисперсионный интерферометр, управление плотностью плазмы, цифровая обработка сигналов, ПЛИС

Код ГРНТИ29.27.49 59.14.00 59.14.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интерферометрия плазмы является классическим методом диагностики плотности плазмы на современных термоядерных установках. Особое значение имеет то, что интерферометр позволяет получить абсолютное значение интеграла электронной плотности плазмы вдоль линии наблюдения, поскольку измеряемая им разность фаз зависит только от плотности, характерного размера плазмы и мировых констант. Это свойство интерферометрии широко используется для калибровки других диагностик, для понимания общей картины поведения плазмы и, что особо важно, – может использоваться для формирования сигналов обратной связи в современных системах динамической стабилизации плотности и положения плазменного шнура в магнитных ловушках. Первая плазма на сферическом токамаке Глобус-М2 была получена в 2018 г., а полномасштабные исследования начались в 2019 г. Реализуемые в установке параметры плазмы позволяют моделировать режимы, предполагаемые к использованию в термоядерном источнике нейтронов на основе токамака. Электромагнитная система установки по своим инженерным характеристикам позволяет поддерживать разряд длительностью до 0.7 с [1]. Но для этого необходимо решить ряд задач, связанных с контролем параметров плазменного разряда. Одним из таких параметров является плотность плазмы. Однако здесь приходится столкнуться с двумя проблемами. Первая связана с увеличением плотности плазмы в модернизированной установке выше 10^20 м^-3. В таких условиях имеющийся СВЧ-интерферометр не работает из-за большой рефракции, а уменьшить длину волны меньше 0.8 мм невозможно из-за отсутствия подходящих генераторных ламп обратной волны. Вторая проблема связана с неопределенностью мощности источника рабочего газа. Кроме газового клапана, позволяющего регулировать напуск с помощью внешнего воздействия, есть еще стенка, от качества подготовки которой и нагрузки на которую также зависит поступление газа в разряд (рециклинг). Вторым источником очень сложно управлять. Возможно только снизить величину его воздействия на разряд с помощью определенных технологических процедур: прогрев, чистка в разряде, боронизация. Кроме этого плотность плазмы сильно влияет на эффективность методов дополнительного нагрева и безындукционного поддержания тока в плазме [2,3,4]. Целью данного проекта является исследование возможности управления в реальном времени плотностью плазмы в разряде (омическом, с нейтральной инжекцией, при LHCD). Ключевым элементом для выполнения этого проекта будет изготовленный ранее под эту задачу дисперсионный интерферометр на основе CO2 лазера с искусственной фазовой модуляцией зондирующего излучения, с помощью которого будет производиться измерение плотности плазмы. Важнейшими качествами этого интерферометра являются его компактность и слабая чувствительность к вибрациям оптических элементов. Благодаря выбору оптимальной для современных плазменных установок длины волны зондирующего излучения, на работу данного интерферометра практически не оказывают влияния явления рефракции и вращения плоскости поляризации в магнитном поле. Подобные интерферометры используются на установках ГДЛ (г. Новосибирск, Россия) [5], W-7X (г. Грейфсвальд, Германия) [6], LHD (г. Токи, Япония) [7], а также ранее использовался на установке TEXTOR (Юлих, Германия) [8]. При разработке данной модели дисперсионного интерферометра были учтены все недостатки предыдущих моделей на установках ГДЛ и TEXTOR. Для регистрации сигнала интерферометра и вычислении плотности плазмы в режиме реального времени предполагается создать специальную автоматизированную измерительную систему на основе высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA) с аппаратным процессорным блоком на борту. Такая система позволит заданным образом управлять газонапуском и, соответственно, плотностью плазмы. Важной частью данной работы является разработка оптимальной методики управления газонапуском в вакуумную камеру в условиях меняющегося во время разряда рециклинга газа со стенок вакуумной камеры и инжекции мощных атомарных пучков. Ранее на токамаке TEXTOR уже были попытки управлять плотностью плазмы и вертикальным положением плазменного тороида с помощью измерительного комплекса дисперсионного интерферометра созданного в ИЯФ СО РАН [9,10]. Описанная в [10] методика вычисления плотности плазмы основывалась на несложных математических операциях над оцифрованными сигналами интерферометра. Однако была неустойчивой в присутствии наложенного на сигнал шума и при изменении глубины модуляции, что заставляло проводить громоздкие калибровочные процедуры перед вычислением каждого нового значения плотности плазмы (т.е. каждые 4 мкс). В рамках данного проекта предполагается использовать новый подход вычислений плотности плазмы, основанный на гармоническом анализе зарегистрированного сигнала, который является устойчивым к воздействию шумов и изменениям глубины модуляции. Таким образом, в рамках данного проекта предполагается впервые продемонстрировать измерение и автоматический контроль в режиме реального времени за плотностью плазмы в установках с высокой плотностью плазмы в условиях дополнительного нагрева, которой, в частности, является сферический токамак Глобус-М2. [1] V.B. Minaev et al. 2017 Nucl. Fusion 57 066047 [2] Щёголев, П. Б. и др., 2019 Физ. плазмы 45 213 [3] Gusev V.K. et al. 2015 Nucl. Fusion 55 104016 [4] Dyachenko V.V. et al. 2015 Nucl. Fusion 55 113001 [5] А.Л.Соломахин и др. 2005 Приборы и техника эксперимента 5 96 [6] J. Knauer et al. 43rd EPS Conference on Plasma Physics P4.017 [7] T. Akiyama et al. 2015 JINST 10 P09022 [8] H. Dreier et al. 2011 Rev. Sci. Instrum. 82 063509 [9] A.A. Lizunov et al. 2008 Rev. Sci. Instrum. 79 10E708 [10] Хильченко А.Д. и др. 2009 Приборы и техника эксперимента 3 78

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.А. Пурыга, А.Д. Хильченко, А.Н. Квашнин, Д.В. Моисеев, С.В. Иваненко Широкополосные тракты усиления сигналов полупроводниковых детекторов излучения и частиц Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2022)

2. Е.А. Пурыга, А.Д. Хильченко, С.В. Иваненко, А.Н. Квашнин, П.В. Зубарев, Д.В. Моисеев Усилительные тракты для полупроводниковых детекторов в плазменных диагностиках XIX Всероссийская конференция по диагностике высокотемператруной плазмы. Сборник тезисов докладов., с.282-283 (год публикации - 2021)

3. С.В. Иваненко, К.А. Гринемайер, А.Л. Соломахин, А.Д. Хильченко, Е.А. Пурыга, А.Н. Квашнин, П. В. Зубарев, Д. В. Моисеев, П.А. Багрянский Измерительный модуль дисперсионного интерферометра для управления плотностью плазмы в токамаке Глобус-М2 XIX Всероссийская конференция по диагностике высокотемператруной плазмы. Сборник тезисов докладов., с.201-203 (год публикации - 2021)

4. Иваненко С.В., Гринемайер К.А., Пурыга Е.А., Квашнин А.Н., Багрянский П.А. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДИСПЕРСИОННОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА НА ОСНОВЕ СО2 ЛАЗЕРА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЛОТНОСТЬЮ ПЛАЗМЫ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. СЕРИЯ: ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ (год публикации - 2022)

5. Хильченко А., Квашнин А., Зубарев П., Иваненко С., Пурыга Е., Моисеев Д., Лизунов А. Data acquisition system for a neutron spectrometer with a remote diamond detector Journal of Instrumentation, Том 17, Выпуск 7, Номер статьи P07003 (год публикации - 2022)
10.1088/1748-0221/17/07/P07003

6. С.В. Иваненко, А.Л. Соломахин, Н.С. Жильцов, П.В. Зубарев, Ю.В. Коваленко, Г.С. Курски-ев, В.В. Солоха, Е.Е. Ткаченко, К.Д. Шулятьев, Е.А. Пурыга, А.Д. Хильченко, В.Б. Минаев, П.А. Багрянский ДИСПЕРСИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ТОКАМАКА ГЛОБУС-М2 Вопросы атомной науки и техники» серия «Термоядерный синтез», том 46, вып. 1 (год публикации - 2023)

7. Иваненко С.В., Соломахин А.Л., Хильченко А.Д., Зубарев П.В., Коваленко Ю.В., Солоха В.В., Шулятьев К.Д., Пурыга Е.А., Квашнин А.Н., Багрянский П.А. ДИСПЕРСИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ТОКАМАКА ГЛОБУС-М2 АО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», В книге: L Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу ICPAF-2023. Сборник тезисов докладов. 2023. С. 123. (год публикации - 2023)
10.34854/ICPAF.2023.50.2023.1.1.079

8. Пурыга Е.А., Хильченко А.Д., Квашнин А.Н., Иваненко С.В., Зубарев П.В., Хильченко В.А., Моисеев Д.В. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ И СБОРА ДАННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК АО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», В книге: L Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу ICPAF-2023. Сборник тезисов докладов. 2023. С. 122. (год публикации - 2023)
10.34854/ICPAF.2023.50.2023.1.1.078

9. Ю.В. Петров, П.А. Багрянский, И.М. Балаченков и др. ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС СФЕРИЧЕСКОГО ТОКАМАКА ГЛОБУС-М2 ФИЗИКА ПЛАЗМЫ (год публикации - 2024)

10. Хильченко А.Д., Квашнин А. Н., Пурыга Е. А., Иваненко С. В., Зубарев П. В., Моисеев Д. В. АДАПТИВНЫЕ СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Частное учреждение "ИТЭР-Центр", В книге: XX Всероссийская конференция Диагностика высокотемпературной плазмы. Сборник тезисов докладов. 2023. С. 308-310 (год публикации - 2023)

11. Солоха В.В., Курскиев Г.С., Жильцов Н.С., Ткаченко Е.Е., Иваненко С.В., Соломахин А.Л., Бахарев Н.Н., Багрянский П.А. и др. СИСТЕМА ИНТЕГРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ НА ОСНОВЕ БАЙЕСОВСКОГО ВЫВОДА ДЛЯ ТОКАМАКА ГЛОБУС-М2 Частное учреждение "ИТЭР-Центр", В книге: XX Всероссийская конференция Диагностика высокотемпературной плазмы. Сборник тезисов докладов. 2023. С. 311-313 (год публикации - 2023)

12. Иваненко С.В., Зубарев П.В., Квашнин А.Н., Першин П.В., Пурыга Е.А., Соломахин А.Л., Хильченко А.Д., Багрянский П.А. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПЛОТНОСТЬЮ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ДИСПЕРСИОННОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА НА ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М2 Частное учреждение "ИТЭР-Центр", В книге: XX Всероссийская конференция Диагностика высокотемпературной плазмы. Сборник тезисов докладов. 2023. С. 321-322 (год публикации - 2023)

13. Ю.В. Коваленко , П.В. Зубарев, С.В.Иваненко, А.Л. Соломахин, Е.А. Пурыга, П.А. Багрянский СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДИСПЕРСИОННЫМ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ НА ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М2 Вопросы атомной науки и техники» серия «Термоядерный синтез», ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2024, т. 47, вып. 2, стр. 23-30 (год публикации - 2024)
10.21517/0202-3822-2024-47-2-23-30

14. Пурыга Е.А., Хильченко А.Д., Квашнин А.Н., Моисеев Д.В., Иваненко С.В. Broadband Signal Amplification Paths for Semiconductor Radiation and Particle Detectors Instruments and Experimental Techniques, Pleiades Publishing, Том 65, № 1, стр. 29–41 (год публикации - 2022)
10.1134/S0020441222010183

15. Иваненко С.В., Гринемайер К.А., Пурыга Е.А., Квашнин А.Н., Багрянский П.А. MEASUREMENT MODULE OF DISPERSION INTERFEROMETER BASED ON THE CO2 LASER FOR PLASMA DENSITY CONTROL Physics of Atomic Nuclei, Т. 86. № 7. С. 1673-1682 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063778823070086

16. С.В. Иваненко, А.Л. Соломахин, П.В. Зубарев, А.Н. Квашнин, Ю.В. Коваленко, Е.А. Пурыга, В.В. Солоха, Г.С. Курскиев, Н.С. Жильцов, К.Д. Шулятьев, А.Д. Хильченко, В.Б. Минаев, П.А. Багрянский Dispersion interferometry diagnostic at Globus-M2 Fusion Engineering and Design, 202 (2024) 114409 (год публикации - 2024)
10.1016/j.fusengdes.2024.114409

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Была проведена оптимизация модулей системы управления плотностью плазмы. 1.1. Были улучшены временные характеристики системы за счет внесения схемотехнических изменений и создания дополнительных сценариев работы; 1.2. Была проведена модернизация цифрового узла измерительного модуля дисперсионного интерферометра с созданием дополнительных и аварийных сценариев работы контроллера управления плотностью плазмы и универсального коммутатора режимов работы дисперсионного интерферометра. 2. Была проведена модернизация программного обеспечения. 2.1. Был создан дополнительный функционал программного обеспечения фазометра с учетом добавленных изменений в цифровой узел измерительного модуля ДИ; 2.2. Были добавлены дополнительные возможность программного анализа и обработки результатов измерений (в том числе возможность оценки вклада каждой из компонент ПИД-регулятора с их графическим выводом). 3. Была проведена модернизация вакуумного стенда и газовой системы в ИЯФ СО РАН для формирования сигнала давления, аналогичного по форме плотности плазмы в токамаке Глобус-М2 и формирования временных задержек поступления газа от клапана в вакуумную камеру, подобных существующим на токамаке. 4. Была проведена серия испытаний системы управления с обратной связью на модернизированном стенде. Были отработаны новые сценарии работы, проведен детальный анализ вклада каждой из компонент регулирования, осуществлен оптимальный подбор параметров ПИД регулятора 5. Была сделана оценка технической возможности модернизации тракта инжекции газа на токамаке Глобус-М2 с целью минимизации временной задержки поступления газа от клапана в вакуумную камеру токамака. 6. Были проведены испытания модернизированная версии системы управления плотностью плазмы на токамаке Глобус-М2 с подбором оптимальных параметров регулирования (периода регулирования, пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов); 7. Была продемонстрирована возможность управления электронной плотностью плазмы в разряде токамаке Глобус-М2 при помощи созданной системы управления в омическом режиме нагрева. Было показано, что данная система позволяет корректировать электронную плотность на основе опорного сигнала, задаваемого оператором. При существующей транспортной задержке удается поддерживать стабильный уровень плотности на протяжении всего разряда. 8. Была продемонстрирована возможность управления электронной плотностью плазмы в разряде токамака Глобус-М2 при помощи созданной системы управления в режимах с дополнительным нагревом плазмы методом нейтральной инжекцией.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанная методика и созданный на ее основе диагностический комплекс дисперсионного интерферометра с системой управления плотностью плазмы в режиме реального времени позволили получить квазинепрерывный разряд на установке Глобус-М2. Данный результат является крайне важным для дальнейшего развития и практического применения таких диагностических комплексов на других установках по магнитному удержанию плазмы, в том числе на токамаке Т‑15МД (Москва, Курчатовский институт), токамаке с реакторными технологиями - ТРТ, а так же в экспериментах на международном термоядерном реакторе ИТЭР.