Уникальные научные установки

Установка для отработки методов нагрева и оптимизации сценариев удержания высокотемпературной плазмы (ТУМАН-3М)

УНУ создана в 1980 году

Данная УНУ была поддержана в рамках мероприятия 1.8 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»
Адрес
Руководитель работ
Сведения о результативности за 2016 год (данные мониторинга)
Участие в мониторинге Число организаций-пользователей, ед. Число публикаций, ед. Загрузка в интересах внешних организаций-пользователей, %
да41022.22
Базовая организация

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Информация об уникальной научной установке (УНУ)

УНУ ТУМАН-3М представляет собой токамак (Тороидальная Установка с Магнитным Адиабатическим Нагревом), предназначенный для исследования механизмов удержания и нагрева плазмы с целью создания массива данных, необходимых для сооружения реактора на основе реакции термоядерного синтеза. Параметры УНУ ТУМАН-3М: больший радиус тороидальной камеры R0=55 см, малый радиус al=25 см, максимальное тороидальное магнитное поле на оси камеры BT=1 Тл, максимальный ток по плазме Ip=180 кА, длительность разряда до 80 мс, электронная плотность и температура плазмы в центре разряда 5х10^19 м-3 и 550 эВ, соответственно, ионная температура до 360 эВ. На токамаке создан и эксплуатируется современный комплекс диагностических устройств, обеспечивающих измерение как стан-дартных параметров плазмы, так и ряда уникальных: потенциал плазмы, радиальное электрическое поле, интенсивность турбу-лентности плазмы. Благодаря конструктивным особенностям установки (относительно высокое электрическое сопротивление стенок камеры, наличие соответствующей коммутационной аппаратуры в системах питания и т.п.) возможно осуществление таких уникальных сценариев плазменного разряда, как быстрый подъем/сброс плазменного тока и быстрое сжатие/расжатие плазмы. Режим улучшенного удержания плазмы – так называемый Н-режим – позволяет существенно увеличить температуру и плотность плазмы по сравнению с обыкновенным режимом омического нагрева. Недавно введенный в эксплуатацию комплекс инжекционного нагрева плазмы (мощность до 600 кВт, энергия атомов до 28 кэВ) позволяет дополнительно расширить диапазон рабочих параметров установки, а также исследовать механизмы раскручивания и торможения вращения плазмы под действием мощного внешнего источника момента. Установленная во время последней модернизации система подавления рассеянных полей позволяет существен-но снизить уровень МГД активности плазмы (типа запертой моды), что дает возможность увеличения длительности плазменного разряда и повышения предельных параметров плазмы (плотности и температуры). Кроме того, во время последней модернизации (2009 г.) была усовершенствована система питания обмотки тороидального поля таким образом, что в стадии инжекционного нагрева (плато плазменного тока) индукция магнитного поля выросла на 40-50% от 0,68 до 1,0 Тл.  Перечисленные выше особенности установки позволяют осуществлять широкий спектр экспериментов по физике высоко-температурной плазмы и ставят установку в один ряд с мировыми исследовательскими центрами по физике УТС. Таким образом, главные достоинства токамака ТУМАН-3М состоят в следующем: - возможность проведения исследований в области удержания и нагрева плазмы в термоядерных тороидальных установках в различных режимах удержания и широком диапазоне параметров плазмы; - возможность работы в режиме улучшенного удержания плазмы - Н-режиме; - наличие комплекса инжекционного нагрева плазмы, позволяющего обеспечить нагрев ионной компоненты и исследовать нагрев, удержание плазмы и динамику ее вращения при более высоких параметрах; - наличие системы подавления рассеянных полей, позволяющих увеличить параметры плазмы и длительность разряда; - возможность проведения динамических экспериментов по быстрому подъему/сбросу плазменного тока и сжатию/расжатию плазмы; - наличие развитого диагностического комплекса, оборудованного современной системой сбора и обработки данных; - высокие параметры плазмы. Возможность получения на УНУ ТУМАН-3М значимых результатов подтверждается регулярной публикацией по результатам проведенных исследований статей в ведущих российских и мировых рецензируемых научных журналах и докладов на российских и международных конференциях, а также получением грантов на научные исследования и успешным выполнением работ по ним. На УНУ ТУМАН-3М возможно проведение междисциплинарных исследований на стыке таких направлений, как физика плазмы, физика взаимодействия плазменных потоков с поверхностью, материаловедение, разработка новых высокотехнологичных методов диагностики плазмы и др.

Главные преимущества, обоснование уникальности установки, в том числе сопоставление УНУ с существующими аналогами

Особенности установки позволяют осуществлять широкий спектр экспериментов по физике высокотемпературной плазмы и ставят установку в один ряд с мировыми исследовательскими центрами по физике УТС. Факторами, определяющими уникальность токамака ТУМАН-3М являются: - отсутствие аналогов в Российской Федерации, - возможность достижения значимых научных результатов с использованием его экспериментальных возможностей, - востребованностью получаемых на токамаке результатов со стороны научного сообщества, - экономической нецелесообразностью сооружения аналогичных установок, в частности высокой стоимостью и сложностью такого комплекса. По совокупности технических параметров установка ТУМАН-3М является уникальной в России и соответствует уровню таких зарубежных установок как TEXTOR (Германия), MAST (Великобритания), FTU (Италия), CHS (Япония).

Основные направления научных исследований, проводимых с использованием УНУ

  • Исследование удержания вещества и энергии в режимах с улучшенным удержанием плазмы;
  • Исследование динамики МГД активности в плазме токамака в режимах при наличии и в отсутствие дополнительного нагрева;
  • Исследование режимов с динамическим воздействием на радиальное распределение плотности тока;
  • Исследование структуры радиального электрического поля в различных режимах удержания и его влияния на перенос вещества и энергии;
  • Разработка технологии и исследование эффективности пучкового нагрева плазмы в токамаке;
  • Исследование внутренних и периферийных транспортных барьеров и методов их формирования;
  • Исследование рассеянных магнитных полей, их влияния на удержание плазмы и способов их подавления;
  • Исследование геодезической акустической моды (ГАМ) и связи ее динамики с переключением режима удержания;
  • Исследования влияния тороидального магнитного поля на удержание плазмы в токамаке;
  • Исследование колебаний различной природы в плазме токамака (GAM, Альфвеновские моды и т.д.) и их влияния на удержание плазмы;
  • Инжекция водородных макрочастиц в плазму для инициирования LH-перехода и целей диагностики плазмы в УНУ ТУМАН-3М.

Наиболее значимые научные результаты исследований

Исследовано влияние рассеянных полей на качество разряда, и определены пути минимизации этого неблагоприятного влияния с целью получения более устойчивого разряда большей длительности. Разработана и изготовлена система компенсации рассеянных полей УНУ токамак ТУМАН-3М, и проведены эксперименты с ее применением, как в омическом режиме, так и при нагреве атомарным пучком. Исследован процесс формирования транспортных барьеров в условиях увеличенного тороидального поля. Исследована динамика радиального электрического поля. Проведены диамагнитные измерения энергозапаса плазмы и электронной температуры в УНУ токамак ТУМАН-3М в режиме омического нагрева. По данным обеих методик получена одинаковая зависимость времени удержания энергии от тока по плазме ~Ip^0.95. В результате экспериментов установлено, что время удержания энергии в токамаке в диапазоне магнитных полей 0,68 -1,0 Тл растет с величиной поля ~Bt^0.75. Полученный результат представляет ценность для работ по оптимизации конструкции ТИН (термоядерный источник нейтронов), который, как предполагается, будет работать именно в этом диапазоне полей. Проведено численное моделирование траекторий первичного и вторичного ионных пучков ДПТИ в разрядах с инжекцией атомарного нагревного пучка в направлении по плазменному току в УНУ токамак ТУМАН-3М. Разработан и осуществлен метод калибровки двухщелевого анализатора энергии вторичных ионов ДПТИ, позволяющий определять калибровочные функции анализатора непосредственно на токамаке.Проведено исследование NBI нагрева плазмы в увеличенном от 0,68 до 1,0 Тл магнитном поле. При этом зарегистрирован двукратный рост потока 2,45 МэВ D-D нейтронов. Обнаруженное улучшение захвата и удержания БИ привело к явному повышению эффективности нагрева ионов, что выражается в отсутствии насыщения Ti в стадии NBI нагрева при высокой плотности плазмы. Также наблюдается 50% увеличение прироста Ti при больших поле и токе. Максимальная ионная температура составила 0,36 кэВ. Проведены спектральные измерения скорости вращения плазмы, результаты сопоставлены с результатами измерения скорости течения плазмы с помощью зондов Маха. Измерения эволюции скорости вращения периферийной плазмы с помощью зонда Маха показали, что одновременно с LH переходом происходит быстрое (за ~0.5-1мс) уменьшение продольного числа Маха от 0.4 до 0.2, что соответствует изменению скорости тороидального вращения от значения Vtor~20км/с (в направлении по плазменному току) до Vtor~10км/с. Временная эволюция скорости тороидального вращения на границе шнура, определенная с помощью зондов Маха, качественно соответствует поведению радиального электрического поля и поведению скорости тороидального вращения ионов примеси. В режиме инициирования LH перехода под воздействием импульса counter-NBI нагрева по результатам спектральных измерений наблюдается заметное увеличение скорости тороидального вращения плазмы вблизи середины малого радиуса, т.е. примерно там, где и происходит эффективное взаимодействие атомарного пучка с плазмой. Исследован эффект снижения пороговой плотности LH перехода при нейтральной инжекции в направлении, противоположном плазменному току (counter-NBI). Подтверждено формирование H-режима (периферийного транспортного барьера) в этом сценарии и установлена локализация слоя отрицательного (направленного внутрь) радиального электрического поля, возбуждаемого в результате усиленных потерь быстрых ионов. В результате исследований альфвеновских мод, установлено, что при достигнутой плотности быстрых ионов влияние этих мод на удержание ионов невелико и легко может быть сведено к пренебрежимо малому путем увеличения тороидального магнитного поля. Исследование зависимости удержания быстрых ионов от параметров плазмы - плотности, магнитного поля и тока плазмы выявило наличие аномальных потерь, в результате которых время удержания быстрых ионов уменьшено по сравнению с предсказаниями классической теории. Показано, что возможной причиной аномальных потерь быстрых ионов является несохранение адиабатического инварианта при их движении в плазме. С помощью ДПТИ обнаружены и исследованы колебания потенциала плазмы на частоте геодезической акустической моды (ГАМ). Обнаружена корреляция между отключением ГАМ и инициированием LH-перехода. Разработана численная модель инициирования LH-перехода вспышкой ГАМ.  Обнаружены МГД-колебания с частотами порядка 1МГц в режиме омического нагрева. Зависимость частоты обнаруженных колебаний от параметров разряда (таких как магнитное поле и плотность плазмы) позволяет предположиить их альфвеновскую природу. С другой стороны, в режиме омическогонагрева отсутствует основной драйвер алфвеновских колебаний - быстрые ионы. Поэтому, предстваляет фундаментальный интерес исследование природы этих колебаний, как с точки зрения понимания их природы и источников, так и в отношении их эволюции при включении дополнительного (инжекционного) нагрева и возможного влияния на эфективность нагрева. Запущен тангенциальный криогенный инжектор водородных макрочастиц в плазму УНУ, начато исследование инициирования LH-перехода при испарении макрочастицы. Реализована система интернет-доступа к базе данных УНУ токамак ТУМАН-3М, позволяющая удаленным пользователям, обладающим правами доступа, анализировать результаты экспериментов на токамаке.

194021, г. Санкт-Петербург, Политехническая, 26
📷

Перечень объектов в составе УНУ (18)

Наименование Изготовитель Страна Год выпуска Количество единиц
Оптический спектрометр MSDD -1000
Назначение, основные характеристики
ООО «Промэнерголаб» Россия 2010 1
Контроллер насосов для инжектора нейтральных атомов
Назначение, основные характеристики
ООО "Альфа" Россия 2006 2
Магнитометр VGM
Назначение, основные характеристики
Alpa Lab Соединённые Штаты Америки 2012 1
Спиральный вакуум-ный насос Anest Iwata ISP-250C
Назначение, основные характеристики
ANEST IWATA Corporation Япония 2012 1
Модуль сопряжения ДПТИ (HIBP-диагностика) с установкой ТУМАН-3М
Назначение, основные характеристики
НИИЭФА Россия 2012 1
Измеритель энергетических характеристик излучения диагностического лазера установки ТУМАН-3М
Назначение, основные характеристики
«Электростекло» Россия 2011 1
Модули AMBPCD/2xSD512/SS/L/FAN с субмодулями AMD414x65M/L
Назначение, основные характеристики
ЗАО «Инструмен-тальные системы» Россия 2012 2
Четырехканальный вакуумный измерительный пост
Назначение, основные характеристики
Agilent Technologies Соединённые Штаты Америки 2012 1
Специализироанный стенд вакумирования УНУ ТУМАН-3М
Назначение, основные характеристики
РФ ,ООО «Инертек» Россия 2006 1
Камера цифровая диагностическая
Назначение, основные характеристики
РФ, ООО «Промэнерголаб» Россия 2013 1
Система компенсации магнитных полей токамака ТУМАН-3М
Назначение, основные характеристики
ООО «Иоффе Фьюжн Текноложи» Россия 2009 1
Блок управления специализированными энергетическими модулями системы питания тороидального соленоида установки ТУМАН-3М
Назначение, основные характеристики
РФ, ООО «Иоффе Фьюжн Текноложи» Россия 2008 6
Специализированные энергетические модули питания тороидального соленоида установки ТУМАН-3М
Назначение, основные характеристики
РФ, ООО «Иоффе Фьюжн Текноложи» Россия 2008 6
Блоки управления специализированными энергетическими модулями
Назначение, основные характеристики
ООО «Иоффе Фьюжн Текноложи» Россия 2007 6
Специализированные энергетические модули
Назначение, основные характеристики
РФ, ООО «Иоффе Фьюжн Текноложи» Россия 2007 6
Насосы для Инжектора нейтральных атомов
Назначение, основные характеристики
ООО «Альфа» Россия 2006 2
Спектрометр многоканальный высокоскоростной триггерный
Назначение, основные характеристики
Avantes BV Нидерланды 2005 1
Токамак ТУМАН-3М
Назначение, основные характеристики
СССР, ФТИ, НИИЭФА 1979 1

Услуги (11)

Для подачи заявки на оказание услуги щелкните по ее наименованию.
Наименование Приоритетное направление
Разработка и испытание схемы обратного микроволнового рассеяния СВЧ излучения для диагностики турбулентности в плазме
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Тренировка ионного источника ИПМ-1 системы инжекционного нагрева плазмы токамака
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Разработка и усовершенствование системы доплеровской спектроскопии скорости вращения плазмы на основе спектрометра MSDD-1000
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Оценка влияния инжекции макрочастицы замороженного дейтерия на поток нейтронов из плазмы токамака
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Анализ возможности применения схемы обратного микроволнового рассеяния СВЧ излучения для диагностики альфвеновских колебаний в плазме
- наиболее востребованная услуга
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Анализ возможности использования CXRS при использовании инжекции нагревного пучка в тороидальном направлении
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Разработка модели токамака как объемного нейтронного источника
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Зондовая диагностика радиального электрического поля в плазме токамака
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Инжекция макрочастиц в плазму токамака
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исследование намагниченности конструкций токамака
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Настройка ионной оптики инжектора нейтральных атомов
- наиболее востребованная услуга
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика

Методики (21)

Наименование методики Наименование организации, аттестовавшей методику Дата аттестации
Методика исследования пространственно-временных характеристик высокочастотных МГД-колебаний альвфеноского диапазона с помощью массива внутрикамерных антенн
Методика измерения нейтронного выхода при взаимодействии пучка быстрых частиц с плазменой мишенью ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН 18.10.2013
Методика нагрева плазмы с помощью инжекции пучка атомов высокой энергии
Методика исследования пространственного распределения и временной эволюции нейтронного излучения плазмы токамака
Методика исследования удержания быстрых ионов в плазме токамака по нейтронному излучению плазмы
Методика исследования величины и пространственного распределения остаточной намагниченности конструкций токамака
Методика измерения скорости вращения плазмы с помощью оптической доплеровской спектроскопии
Методика измерения состава и эволюции примесей в плазме токамака с помощью оптической спектроскопии
Методика модификации величины, пространственного распределения и временной эволюции плотности плазмы в токамаке с помощью инжекции водородных макрочастиц
Методика управления величиной и временной эволюцией тороидального магнитного поля в токамаке с помощью программированного разряда емкостных накопителей
Методика измерения праметров периферийной плазмы (плотности, электронной темпрературы и др.) с помощью электростатических зондов
Методика измерения параметров плазмы с помощью ДПТИ
Методика измерения параметров флуктуаций электронной плотности по обратному рассеянию СВЧ-излучения
Методика поддержания равновесия плазменного шнура в токамаке с помощью автивной и пассивной систем управления
Методика измерения ионной температуры плазмы с помощью анализа энергии атомов перезарядки
Методика измерения электронной температуры плазмы с помощью рассеяния лазерного излучения
Методика измерения времени удержания быстрых ионов по нейтронному излучению плазмы
Методика измерения энергозапаса плазмы по диамагнитному эффекту
Методика измерения плотности плазмы с помощью многоканальной СВЧ-интерферометрии
Методика калибровки анализатора энергии вторичных ионов ДПТИ
Методика выполнения измерений индивидуального эквивалента дозы фотонного излучения с применением термолюминесцентной дозиметрической системы типа КДТ-02 в комплекте с ТЛ-дозиметрами DTU-2 ФГУП "ВНИИм им. Д.И.Менделеева" 14.03.2008

Возврат к списку


0 комментариев

Комментарии отсутствуют!

Вы можете оставить свое сообщение первым.

Написать комментарий