Сферический токамак Глобус-М
Сокращенное наименование УНУ: УНУ Глобус-М
Базовая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Ведомственная принадлежность: Минобрнауки России
Классификационная группа УНУ: Ядерные и термоядерные комплексы (установки)
Год создания УНУ: 1999
Размер занимаемых УНУ площадей, кв. м: 2600
Сайт УНУ: http://globus.rinno.ru/
Контактная информация:
Местонахождение УНУ:
|
Руководитель работ на УНУ:
|
Сведения о результативности за 2020 год (данные ежегодного мониторинга)
|
Информация об УНУ:
Сферический токамак Глобус-М вместе с системой питания, комплексом дополнительного нагрева и диагностиками представляет собой уникальный научный стенд, предназначенный для решения широкого круга задач по долгосрочным программам физики высокотемпературной плазмы и УТС. Значимые научные результаты, полученные на УНУ Глобус-М, уже используются в международной программе исследований по физике высокотемпературной плазмы и УТС. Следует подчеркнуть междисциплинарный характер исследований, проводимых на токамаке Глобус-М. В состав коллектива исследователей, работающих на установке, кроме ученых-плазменщиков входят сотрудники различных лабораторий ФТИ им. А.Ф. Иоффе - атомщики, ядерщики, химики, специалисты по полупроводникам, лазерам, обработке изображений и др. Кроме этого осуществляется тесное сотрудничество с ведущими специалистами из других организаций: специалистами по системам управления (ПМПУ СПб ГУ и АО "НИИЭФА"), специалистами математиками (ИПМ РАН им. М.В. Келдыша), специалистами химиками (ИФХ РАН им. М.В. Фрумкина), специалистами по системам дполнительного нагрева (ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН). Проведение научных исследований на УНУ Глобусе-М также чрезвычайно важно для подготовки современных специалистов в области физики высокотемпературной плазмы и энергетики управляемого термоядерного синтеза. В исследованиях, проводимых на сферическом токамаке Глобус-М, постоянно принимают участие студенты, аспиранты, преподавательский, научный и инженерный персонал Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого(С. Петербург), АО "НИИЭФА" (С. Петербург), НИЦ "Курчатовский институт" (Москва), ГНЦ РФ ТРИНИТИ (Москова). Технические параметры: тороидальное магнитное поле до 1,0 Тл; расход магнитного потока, 400 мВб; ток плазмы, 0,5 МА; большой радиус, R, 0,36 м; Малый радиус, a, 0,24 м; аспектное отношение, R/a = 1,5; вертикальное удлинение плазменного шнура 2,2; треугольность 0,45; средняя плотность плазмы, 1,2-1020; запас устойчивости, q95, 2; относительное давление 14; параметр МГД устойчивости 6; температура ионов (макс.) 1,0 кэВ; температура электронов (макс.) 1,4 кэВ; суммарная мощность систем дополнительного нагрева плазмы 2,5 МВт. |
Главные преимущества, обоснование уникальности установки, в том числе сопоставление УНУ с существующими аналогами, многофункциональность и междисциплинарность УНУ:
Глобус-М, первый и единственный в России и один из первых в мире сферических токамаков, был введен в эксплуатацию в 1999 году. Это единственная экспериментальная установка типа токамак, построенная в России за последние 25 лет и не имеющая отечественных аналогов. Установка предназначена для получения, удержания и исследования высокотемпературной плазмы в замкнутой тороидальной конфигурации и с магнитной изоляцией внешней границы. Глобус-М – одна из трех ведущих установок в мире, развивающих концепцию и отрабатывающих технологию удержания плазмы в новой “сферической геометрии” плазменного шнура с малым аспектным отношением тора (R/a = 1.5, где R=0.36м, а=0.24м - большой и малый радиусы тора соответственно). Уникальность сферического токамака Глобус-М заключается в том, что в геометрии малого аспектного отношения возможно создавать устойчивый плазменный шнур с большим током плазмы при небольшой величине тороидального магнитного поля. Следствием этого является высокая эффективность использования тороидального магнитного поля, позволяющая достигать больших значений нормализованного давления плазмы (тороидального бета), что важно для повышения экономической эффективности будущего термоядерного реактора. К числу других уникальных характеристик относится большая “естественная” вытянутость плазменного шнура в вертикальном направлении. Электромагнитная система и современная автоматическая система управления позволяют заданным образом изменять форму плазменного шнура и достигать величин вытянутости и треугольности, близких к предельным значениям. Глобус-М – это единственный в России токамак с дополнительным нагревом плазмы, в котором создается и изучается диверторная конфигурация плазменного шнура, оторванного от стенок камеры. Такая конфигурация, плазменного шнура предусмотрена в термоядерном токамаке - реакторе. Это позволяет проводить комплекс физических и инженерных исследований в поддержку строящегося международного экспериментального реактора ИТЭР. За рубежом сферические токамаки функционируют в Бразилии, Великобритании, Китае, США и Японии. К установкам, предназначенным для подтверждения принципиальных преимуществ удержания и нагрева плазмы в сферической геометрии, относятся кроме Глобуса-М только MAST, Великобритания и NSTX, США. Уникальность Глобуса-М для мировой программы исследований по физике высокотемпературной плазмы и управляемому термоядерному синтезу (УТС) заключается как в его физических, так и в инженерно-технических характеристиках. Несмотря на меньшие геометрические размеры, Глобус-М имеет самое высокое в мире среди сферических токамаков отношение тороидального магнитного поля к радиусу плазмы, а также самое большое значение усредненной по сечению шнура плотности тока плазмы. Оба этих параметра позволяют достигать большой плотности плазмы, превышающей 1×10^20 м-3. Плазма в установке тесно вписана в объем вакуумной камеры. В такой конфигурации создаются благоприятные возможности для размещения магнитных и других датчиков максимально близко к границе плазмы, а близость проводящей стенки стабилизирует развитие МГД неустойчивостей. Для защиты обращенной к плазме поверхности вакуумной камеры впервые в большом объеме успешно применены покрытия из графита типа РГ-Ti91. Впервые для сферических токамаков на установке Глобус-М применяется уникальное сочетание систем дополнительного нагрева плазмы – ВЧ нагрев ионно-циклотронного диапазона частот и инжекция пучков атомов суммарной мощностью до 2 МВт. Отличительной особенностью эксперимента является высокая мощность дополнительного нагрева плазмы на единицу объема. Удельная мощность дополнительного нагрева в 3-5 раз превышает удельную мощность нагрева на токамаках MAST и NSTX. Мощность вводится как в ионный, так и в электронный компоненты плазмы. Использование дополнительного нагрева плазмы в низком магнитном поле позволяет проводить ряд уникальных экспериментов по исследованию устойчивости плазменного шнура и генерации безындукционных токов увлечения. Только на токамаке Глобус-М исследуется и применяется новый, разрабатываемый в России метод для подачи топлива в центральную часть шнура на основе двухступенчатой плазменной пушки. |
Наиболее значимые научные результаты исследований (краткое описание):
С момента запуска в 1999 г. на УНУ Глобус-М были осуществлены исследования по различным направлениям физики высокотемпературной плазмы и получены важнейшие результаты: - впервые в мире экспериментально было доказано, что сферический токамак может работать на границе предела МГД устойчивости по отношению к идеальным винтовым возмущениям магнитного поля; - впервые в России была разработана методика и получены оторванные от стенки и ограниченные сепаратрисой магнитные конфигурации плазмы (диверторные конфигурации). Такие конфигурации будут использованы в экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР; - впервые в мире для защиты обращенной к плазме поверхности использован графит марки РГ-Ti91. (В дальнейшем разработка с графитовой защитой стенки токамака была внедрена в установке КТМ, Казахстан); - достигнут устойчивый переход плазмы в режим улучшенного удержания (Н-мода), показано, что при малом аспектном отношении плазмы время удержания энергии находится в соответствии с экспериментальными законами подобия, заложенными в физическую базу ИТЭРа; - проведены эксперименты с мощным дополнительным нагревом нейтральным пучком (совместно с НИЦ "Курчатовский институт"). Мощность нагрева плазмы в расчете на единицу объема достигла рекордно высоких значений 2.5-3 МВт/м3; - впервые в мире на сферических токамаках осуществлен успешный нагрев ионного компонента плазмы с помощью ВЧ волн с частотами близкими к частоте фундаментальной гармоники ионного циклотронного резонанса; - впервые в мире на сферических токамаках апробирован метод старта разряда и генерации безындукционного тока с помощью ВЧ волн нижнегибридного диапазона с частотой (920 Мгц); - получены рекордные для отечественных исследований величины плотности и относительного давления плазмы. Параметр beta_Т (отношение давления плазмы к давлению тороидального магнитного поля) превысил значение в 14%, параметр beta_N, характеризующий МГД устойчивость плазмы при предельно высоких давлениях, вплотную приблизился к 6, средняя плотность плазмы достигла значения 1.2×10^20 м-3. Указанные параметры превышают в разы значения, полученные ранее на отечественных токамаках, и являются национальными рекордами, а величина параметра beta_N повторяет мировой рекорд. Опыт эксплуатации УНУ Глобус-М подтвердил преимущества концепции сферического токамака. Технологическая и научная база, разработанная в процессе реализации проекта Глобус-М, позволила с уверенностью перейти к следующему шагу - запуску модернизированного варианта установки Глобус-М2 с увеличенными значениями магнитного поля и тока плазмы, что позволяет, в настоящее время, проводить необходимые эксперименты в поддержку компактных установок типа термоядерного источника нейтронов для гибридных схем "синтез-деление", работающих в подкритическом режиме. |
Направления научных исследований, проводимых на УНУ:
|
Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899):
|
Приоритетные направления Стратегии НТР РФ (п. 20):
|
Фотографии:












Состав УНУ и вспомогательное оборудование: (номенклатура — 34 ед.)
Вакуумная система токамака Глобус-М
Внеплощадочные кабельные сети
Диагностика потоков атомов перезарядки токамака Глобус-М
Диагностика томсоновского рассеяния токамака Глобус-М
Зонд Ленгмюра подвижный
Зонд Ленгмюра прыгающий
Интерферометрическая система контроля плотности в токамаке
Источник питания нереверсивный управляемый тиристорный тороидальной обмотки токамака
Источник питания обмотки индуктора токамака реверсивный управляемый тиристорный Глобус-М
Многоканальная система сбора оптического сигнала диагностики CXRS токамака Глобус-М2
Многоканальный допплеровский рефлектометр для зондирования плазмы токамака
Модуль детекторный для системы регистрации поверхностных возмущений плазмы в токомаке Глобус-М
Модуль детекторный для спектрометрометрической системы токамака Глобус-М
Модуль светосильный спектрометрический
Модуль транспортировки пучка атомов изотопов водорода
Модулятор высоковольтный клистрона
Открытое распределительное устройство 110 кВ и трансформаторы, закрытое распределительное устройство 6-10 кВ и ОПУ
СВЧ интерферометр токамака Глобус-М с прецизионным источником питания для ламп обратной волны
Система высоковакуумной откачки токамака Глобус-М
Система защиты прод.поля
Система инжекционного нагрева плазмы токамака Глобус-М 40 кэВ
Система инжекционного нагрева плазмы токамака Глобус-М 50 кэВ
Система ионного циклотронного нагрева плазмы, включающая антенну и ВЧ генератор
Система мягкого включения трансформатора
Система нейтронной спектрометрической диагностики плазмы токамака
Система нижне-гибридной генерации тока токамака Глобус-М с антенной грилл
Система охлаждения инжектора атомов
Система спектрометрического анализа жесткого рентгеновского излучения плазмы токамака
Система управления и коммутации токамака Глобус-М
Система электромагнитная токамака Глобус-М2
Трансформаторная подстанция с кабельным коллектором
Устройство распределительное комплектное
Центральная сборка обмотки тороидального поля (Центральная колонна)
Электромагнитная система токамака Глобус-М |
Услуги УНУ: (номенклатура — 8 ед.)
Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899): Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899): Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899): Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899): Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899): Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899): Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899): Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика Приоритетные направления (указ Президента РФ N 899): Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика |
Методики измерений, применяемые на УНУ: (номенклатура — 21 ед.)
Методика определения характерного масштаба спада плотности теплового потока в пристеночной плазме токамака
Методика уникальна:
для России
Методика измерения тороидальной неоднородности радиального магнитного поля токамака
Методика уникальна:
для России
Методика определения эффективного заряда плазмы на основе измерений интенсивности тормозного излучения и данных диагностики томсоновского рассеяния
Методика уникальна:
для всего мира
Методика калибровки абсолютной чувствительности диагностики томсоновсокго рассеяния на основе микроволнового интерферометра для измерения плотности электронов
Методика уникальна:
для всего мира
Методика измерений в ближней инфракрасной области спектра
Методика уникальна:
для России
Методика испытаний спектральной аппаратуры на токамаке
Методика уникальна:
для всего мира
Методика испытаний сцинтилляционного детектора
Методика уникальна:
для России
Методика контроля параметров плазменной струи высокой плотности
Методика уникальна:
для всего мира
Методика нагрева плазмы внешними источниками
Методика уникальна:
для России
Методика обработки материалов с помощью плазменных разрядов
Методика уникальна:
для всего мира
Методика определения характеристик материалов после взаимодействия с плазмой
Методика уникальна:
для всего мира
Методика транспортных расчётов с помощью компьютерных кодов
Методика уникальна:
для России
Методика определения параметров микроструктуры вольфрама методом полнопрофильного анализа формы рентгено-дифракционных максимумов
Методика уникальна:
для всего мира
Методика измерения сопротивления сильноточных контактов обмоток электромагнитной системы токамака
Методика уникальна:
для всего мира
Методика измерения радиальных распределений параметов плазмы вблизи сепаратрисы подвижным зондом МИ 030-ФЦНА-2105
Методика уникальна:
для России
Методика расчетов и измерения анизотропной функции распределения быстрых ионов
Методика уникальна:
для всего мира
Методика измерения потока нейтронов с помощью газоразрядных счетчиков CHM-11
Методика уникальна:
для России
Методика измерения радиационных потерь плазмы на основе спектрометрических измерений МИ 018-ФЦНА-2015
Методика уникальна:
для России
Методика создания плазмы и старта тока с помощью высокочастотной мощности нижнегибридного диапазона частот 900 МГц
Методика уникальна:
для всего мира
Методика измерения энергетического состава пучка методом доплеровской спектроскопии
Методика уникальна:
для России
Методика измерения нейтронного выхода при взаимодействии пучка быстрых частиц с плазменной мишенью
Методика уникальна:
для России |