Название:Влияние альфвеновских неустойчивостей на удержание частиц и энергии плазмы сферического токамака
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Гусев,ВК
Подразделения:
Код проекта:17-12-01177
Актуальность предлагаемых в проекте исследований определяется новыми возможностями использования ядерного синтеза не для получения непосредственно энергии, а для создания компактных источников нейтронов (КИН). Интерес к эффективным КИН на базе сферического токамака, в первую очередь, связан с возможностью их использования для решения задач ядерной энергетики деления, в качестве управляемого ядра гибридного реактора. Генерация нейтронов в таком источнике будет происходить, в основном, в результате инжекции пучков высокоэнергичных атомов в плазму токамака. Наличие в плазме суперальфвеновских частиц (скорость которых превышает альфвеновскую) будет приводить к возбуждению альфвеновских мод, которые, в свою очередь, будут влиять на эти частицы, вызывая их перераспределение в пространстве или потери. То и другое будет уменьшать нейтронный выход, снижая тем самым эффективность источника нейтронов. Необходимо детально исследовать особенности развития альфвеновских мод в сферическом токамаке с целью разработки сценариев разряда, при которых альфвеновская активность снижена, или её влияние на удержание быстрых частиц не критично. Это, в конечном счете, позволит создать эффективный компактный источник нейтронов. В рамках проекта предполагается провести углубленное исследование особенностей развития альфвеновских неустойчивостей в компактных сферических токамаках и степени их влияния на удержание быстрых частиц в зависимости от величины магнитного поля, тока по плазме, плотности, изотопного состава основной плазмы и инжектируемого пучка нейтральных атомов. Адаптировать компьютерный код KINX для расчета альфвеновского континуума и структуры ТАЕ сферического токамака. Провести проверку его результатов путем сравнения с экспериментальными данными, полученными на токамаке Глобус-М, и провести расчеты для параметров проектируемого КИН. На основе анализа полученных данных сделать оценку степени влияния альфвеновских возмущений на удержание быстрых частиц в проектируемых компактных источниках нейтронов. Выработать рекомендации по оптимизации сценариев разрядов в этих установках с целью предотвращения снижения нейтронного выхода. Исследования будут проводиться на единственном в России сферическом токамаке Глобус-М [В.К.Гусев и др. ЖТФ, 1999, том 69, вып. 9, с.58-62] (ФТИ им. А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург), в котором может быть получена плазма со следующими параметрами: большой радиус R = 0.36 м, малый радиус a = 0.24 м, аспектное отношение R/a = 1.5, ток плазмы, Ip до 0.25 МА, тороидальное магнитное поле на оси, Bт до 0.4 Тл, среднехордовая плотность плазмы 0.1–1.2*E20 м-3. После модернизации магнитной системы, которая планируется в 2016 году, в токамаке Глобус-М2 магнитное поле будет увеличено до 1 Тл и ток до 0.5 МА. В распоряжении коллектива имеются: инжектор атомов, диагностический комплекс с системой сбора и хранения данных, программы обработки данных, компьютеры с установленными компьютерными кодами для моделирования плазменных процессов. Все эти средства будут задействованы по мере надобности для выполнения задач проекта. Участники проекта имеют многолетний опыт исследований на отечественных и зарубежных токамаках. Научная новизна предлагаемых исследований состоит в том, что они будут проводиться в сферическом токамаке наиболее близком по параметрам к проектируемым компактным источникам нейтронов. Исследования предполагается провести в два этапа: сначала на токамаке Глобус-М, а затем на модернизированном токамаке Глобус-М2 с увеличенным током и магнитным полем. В обоих случаях геометрические размеры близки к параметрам КИН (R=0.5 м, a=0.3 м, BТ = 1.5 Tл, I p = 1MA) [Kuteev, B.V. et al Nucl. Fusion 51 (2011) 073013], а во втором случае к ним также приближаются ток и магнитное поле. В результате, впервые будут проведены исследования взаимодействия альфвеновских мод с быстрыми частицами в диапазоне параметров близких к параметрам КИН, что позволит сделать более точную экстраполяцию и спрогнозировать степень их влияния на удержание быстрых частиц в компактных источниках нейтронов. Ожидаемые результаты В результате выполнения проекта компьютерный код KINX будет адаптирован для расчета альфвеновского континуума и структуры ТАЕ сферического токамака; будет проведена проверка его результатов путем сравнения с экспериментальными данными, полученными на токамаке Глобус-М, и проведены расчеты для параметров проектируемого КИН; будет экспериментально определена структура ТАЕ, локализация и степень их влияния на удержание быстрых частиц в сферическом токамаке в зависимости от величины магнитного поля, тока по плазме, плотности, изотопного состава основной плазмы и инжектируемого пучка нейтральных атомов. На основе анализа полученных данных будет сделана оценка степени влияния альфвеновских возмущений на удержание быстрых частиц в проектируемых компактных источниках нейтронов, выработаны рекомендации по оптимизации сценариев разрядов в этих установках с целью предотвращения снижения нейтронного выхода. Мировыми лидерами по научной тематике, затронутой в проекте, являются коллективы двух сферических токамаков: NSTX (R=0.8 м a=0.65 м, Bт=0.55 Тл, Ip=1 MA, Принстонская лаборатория, США) и MAST (R=0.85 м a=0.65 м, Bт=0.53 Тл, Ip=1.35 MA, Калэмская лаборатория, Великобритания). Обе установки в данный момент проводят модернизацию с целью увеличить магнитное поле до 1 Тл и ток по плазме до порядка 2 МА. NSTX после окончания модернизации вновь остановлен из-за аварии в электромагнитной системе (ориентировочный срок ремонта - один год). Запуск MAST после реконструкции намечен на 2017 год. Конкурентным преимуществом токамака Глобус-М является тот факт, что из всех токамаков он ближе всего по параметрам к КИН. Поэтому мы ожидаем, что результаты, полученные в рамках проекта, будут на мировом уровне. Результаты исследований будут опубликованы в научных журналах, доложены на конференциях по управляемому синтезу и физике высокотемпературной плазмы. Ожидаемые результаты имеют важное значение для проектирования и выработки сценариев разряда реакторов и источников нейтронов на базе сферического токамака.