ПРОГРАММА РАЗВИТИЯ УНУ ТУМАН-3М НА 2016-2017 ГОДЫ
Программа развития УНУ на 2016-2017 годы (далее - Программа)
разработана с целью комплексного развития УНУ для эффективного участия в реализации проектов
в рамках ПНЗ
«Исследования и разработка физических принципов и технических решений
эффективной и безопасной гибридной ядерной энергетики», направленных на решение приоритетных научных задач, выполнения
исследований и измерений по заказам научных и образовательных организаций,
предприятий реального сектора экономики, а также подразделений базовой
организации выполняющих исследования и разработки в интересах создания
научно-технического задела для обеспечения инновационного развития экономики
страны. Программа содержит комплекс мероприятий текущего и среднесрочного
характера, разработана с учетом планов перспективного развития ФТИ им. А.Ф.
Иоффе, как базовой организации, развития сектора исследований и разработок, в
том числе по профильному дисциплинарному направлению.
УНУ является не только
структурным подразделением ФТИ им. А.Ф. Иоффе, но и элементом научной
инфраструктуры в современном секторе исследований и разработок, осуществляющий
свою деятельность в рамках нескольких приоритетных направлений развития науки и
технологий Российской Федерации.
Программа разработана на 2 года и утверждена руководителем ФТИ им. А.Ф.
Иоффе.
Мероприятия
программы уделяют существенное внимание повышению привлекательности УНУ для пользователей, путем повышения
доступности, постоянного совершенствования методик, информационного обеспечения
и развития кадрового потенциала УНУ.
Раздел 1.
Характеристика УНУ
1.1. Приоритетные направления развития науки и технологий, а
также критические технологии, в рамках которых работает УНУ
УНУ работает в рамках нескольких приоритетных
направлений из списка «Приоритетные направления развития науки, технологий и
техники в Российской Федерации», утвержденных Указом Президента РФ №899 от 7
июля 2011 года:
1. № 8 Энергоэффективность и энергосбережение (главное направление)
1.1 № 9 Технологии атомной энергетики, ядерного
топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами отработанного
ядерного топлива
1.2 №15 Технологии новых и возобновляемых
источников энергии, включая водородную энергетику
2. № 6 Рациональное природопользование
2.1 № 21 Технологии предупреждения и ликвидации
чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера
Кроме этого, работа УНУ проходит в рамках технологической платформы
«Управляемый термоядерный синтез» и технологической платформы «Перспективные
технологии возобновляемой энергетики».
1.2. Основные научные направления УНУ
По направлениям тематики ПНЗ УНУ работает по следующим направлениям научных
исследований
В области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, в. т.ч.:
- разработка
и исследование методов дополнительного нагрева плазмы и генерации
безындукционного тока;
-
исследование удержания частиц и энергии в плазме;
- исследование МГД устойчивости плазмы;
-
исследование специфических колебаний в плазме тороидальных систем. Способных влиять
на удержание вещества и энергии – таких как альфвеновские колебания,
геодезические акустические моды и т.п.
- получение
и исследование режимов с улучшенным удержанием, транспортными барьерами и
исследование зональных потоков;
- разработка
и исследование методов управления переключением режимов удержания в токамаках;
- разработка
диагностических систем.
В области систем управления, в т.ч.:
- разработка
числовых и аналоговых методов автоматического управления параметрами плазмы.
В области энергетических систем и источников нейтронов на базе
токамака-реактора, в т.ч.:
- разработка
методов диагностики реакторной плазмы;
- разработка
новых методов подачи топлива в горячую зону плазменного шнура;
- разработка
прототипов термоядерных источников нейтронов.
В области
вычислительных и компьютерных систем, в т.ч.:
- разработка
систем сбора и обработки информации для одновременного доступа большого числа
удаленных пользователей.
1.3. Проводимые
исследования и оказываемые услуги на оборудовании УНУ
УНУ проводит научные исследования
и оказывает услуги, используя для этих целей токамак ТУМАН-3М, который оснащен
системой питания, комплексами для дополнительного нагрева плазмы и диагностики
для создания и исследования высокотемпературной плазмы, а также компьютеризированной
системой сбора и обработки экспериментальной информации.
Исследования, проводимые на УНУ ТУМАН-3М,
в значительной степени направлены на получение новых знаний и разработку
экспериментальных методик и технологий в области физики высокотемпературной
плазмы и управляемого термоядерного синтеза (далее – УТС). УНУ ТУМАН-3М позволяет проводить комплексные
междисциплинарные исследования для задач, связанных с созданием термоядерных
источников нейтронов, решения сопутствующих задач, в т.ч. - управления сложными
быстроизменяющимися объектами. Среди направлений исследований – разработка и
исследование методов управления режимами удержания плазмы, методов повышения интенсивности
нейтронного потока, исследование МГД неустойчивостей плазмы, отработка методик
управления положением и формой плазменного шнура, и многие другие.
Результаты исследований являются потенциально важными и применимыми для
решения проблем энергетики, в том числе атомной и термоядерной, проблем
преобразования энергии в рамках решения приоритетной научной задачи
«Исследование и разработка физических принципов и технических решений
эффективной и безопасной гибридной ядерной энергетики». Эти исследования
соответствуют направлениям развития критических технологий: технологии атомной
энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными
отходами и отработавшим ядерным топливом, технологии новых и возобновляемых
источников энергии, технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных
ситуаций природного и техногенного характера.
Токамаки, в т.ч. компактные, рассматриваются в настоящее время как один
из вариантов компактного устройства, способного генерировать поток термоядерных
нейтронов с энергией 14.1 МэВ. Термоядерный источник нейтронов имеет широкое
научное и техническое применение. Активно обсуждается его использование как в
составе гибридного ядерного реактора «синтез-деление», так и для переработки
долгоживущих радиоактивных отходов атомных электростанций. Необходимость
создания источника 14 Мэв-ных нейтронов связана также с недостатком знаний о
радиационной стойкости защитных материалов и элементов конструкции будущей
термоядерной электростанции.
В течение последних пяти лет силами УНУ были выполнены работы по направлениям тематики
ПНЗ по двум Государственным контрактам с
Министерством образования и науки в рамках ФЦП "Исследования и разработки
по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России
на 2007-2013 годы", гранту Правительства Российской Федерации для
государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством
ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего
профессионального образования (договор с Минобрнауки № 11.G34.31.0041),
Программе фундаментальных исследований Президиума РАН 12П "Фундаментальные
процессы в высокотемпературной плазме с магнитной термоизоляцией".
В направлениях тематики ПНЗ УНУ оказывает услуги внешним пользователям, в
частности:
-в
постановке экспериментов по заказам пользователей;
-в
проведении измерений;
-в
испытаниях образцов макетов приборов;
-в
испытаниях диагностической аппаратуры и методик;
-в
испытаниях оборудования;
-в отработке
методик измерений;
- в
предоставлении экспериментальной базы данных;
- в
подготовке кадров.
Кроме этого оказываются консультационные услуги внешним пользователям,
а также образовательные услуги, например, организация практики студентов и
аспирантов по заявкам пользователей. Оказываются услуги по экспертизе
результатов НИР и НИОКР.
1.4. Наиболее значимые научные
результаты, полученные с использованием оборудования УНУ за последние 3 года.
Основные инженерно-физические параметры компактного токамака ТУМАН-3М:
-большой
радиус плазмы, R =0.53 м;
-малый
радиус плазмы, a=
-аспектное
отношение тора, A=R/a= 2.4
-объем
плазмы
-вытянутость
плазмы в вертикальном направлении 1.0 (круглое сечение шнура, лимитерная
конфигурация);
-рабочий ток
плазмы до 0.18 МА;
-рабочее
тороидальное магнитное поле на оси плазмы до BT=1 Тл;
-типичный
запас устойчивости на границе шнура ~2.5-3.5;
За последнее время 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 ~Ip0.95. В
результате экспериментов установлено, что время удержания энергии в токамаке в
диапазоне магнитных полей 0,68 -1,0 Тл растет с величиной поля ~Bt0.75.
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 предположить их
альфвеновскую природу. С другой стороны, в режиме омического нагрева
отсутствует основной драйвер алфвеновских колебаний - быстрые ионы. Поэтому,
представляет 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 эффективность
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.
1.5. Участие в
мероприятиях по подготовке кадров высшей квалификации
В УНУ осуществляется постоянная деятельность по
подготовке молодых специалистов и кадров высшей квалификации.
В научных
работах УНУ по различным направлениям
принимают участие студенты ряда ВУЗов Санкт-Петербурга и других городов России
(СПбГПУ, СПбГУ, МИФИ, и др.). Результаты этих работ докладываются на российских
и международных конференциях, публикуются в научных журналах и представляются в
отчетах по действующим грантам, контрактам и соглашениям. С помощью студентов и
под руководством сотрудников УНУ создается и практически применяется уникальное
диагностическое и технологическое оборудование. На основании результатов работ
защищаются диссертации степени бакалавра и магистра. В
работе УНУ постоянно принимают участие
аспиранты и соискатели. Результаты экспериментов и расчетов используются в диссертациях
на соискание ученой степени кандидата и доктора физико-математических наук сотрудников ФТИ им. А.Ф.
Иоффе, СПб ГПУ, ИОФАН им. А.М. Прохорова и др.
Сотрудники УНУ регулярно рецензируют дипломные работы,
кандидатские и докторские диссертации, подготовленные в ведущих российских
научных центрах, а также статьи, направленные на рецензию из редакций ведущих
российских и мировых научных журналов по физики плазмы.
Молодые ученые
и аспиранты постоянно принимают участие в работе научных конференций. За
последний период наибольшее количество докладов было представлено на ежегодной Международной
(Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Также представлялись
сообщения на ежегодной Конференции Европейского Физического Общества по физике
плазмы, 25-й Конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии, ежегодном двухстороннем Калэм-Иоффе
симпозиуме (Санкт-Петербург – г. Абингдон, Великобритания), международной конференции «Project day», организованной лабораторией RLPAT в рамках
совместного мега-гранта СПб ГПУ и ФТИ им. А.Ф Иоффе.
Доклады, направляемые на научные конференции и
сообщения, выполненные с использованием
оборудования УНУ и подготовленные с
участием аспирантов, соискателей и молодых ученых, проходят предварительное обсуждение
на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. В УНУ регулярно проводятся семинары, на которых
заслушиваются сообщения молодых ученых УНУ об их текущей деятельности.
Раздел 2. Цель и
задачи Программы
2.1 Цель
программы
Цель программы состоит в
комплексном развитии УНУ, как объекта научной инфраструктуры, ориентированного
на его эффективное участие в реализации ПНЗ, в том числе способствующего
развитию базовой организации – ФТИ им. А.Ф. Иоффе и развитию кооперации УНУ с ведущими мировыми научными,
исследовательскими центрами и университетами.
Основными целями Программы
развития УНУ ТУМАН-3М является:
1. Исследование
физических принципов и разработка методики переключения удержания в токамаке
токамаке.
2. Исследование
и оптимизация параметров компактного токамака как термоядерного источника
нейтронов.
3. Исследование
неустойчивостей в плазме (альфвеновские колебания, ГАМ и др.) и их влияния на
удержание плазмы и эффективность нейтронного источника на основе токамака.
2.2. Задачи программы и основные мероприятия,
направленные на решение задачи
Достижение поставленной цели Программы развития УНУ предполагает решение следующих задач:
1. Развитие материально-технической базы УНУ, как основной
задачи на период 2016-2017 гг., а именно: создание инфраструктурной базы из
современного, высокопроизводительного, дорогостоящего научного оборудования,
увеличивающего потенциал УНУ и
формирование материально – технической базы для Программы реализации ПНЗ
«Исследования и разработка физических принципов и технических решений
эффективной и безопасной гибридной ядерной энергетики»;
2. Развитие кадрового потенциала УНУ ;
3. Обеспечение доступности и востребованности
оборудования УНУ для проведения научно-исследовательских
работ, направленных на реализацию ПНЗ, коллективами исследователей, в том числе
внешними по отношению к базовой организации;
4. Развитие новых научных направлений;
5. Развитие метрологической составляющей деятельности УНУ
с целью обеспечения точности и
достоверности проводимых измерений;
6. Повышение уровня сложности и расширения перечня
выполняемых научно-технических услуг;
7. Разработка (освоение) новых методов и методик
измерений/исследований;
8. Увеличение объемов научно-исследовательских и
технологических работ, выполняемых с использованием оборудования УНУ для внешних пользователей;
9. Усиление роли УНУ в повышении уровня и результативности
исследований и разработок, проводимых базовой организацией.
Раздел 3.
Мероприятия Программы
Мероприятия Программы развития сформированы с целью
поэтапного решения сформулированных в Программе целей и задач.
К наиболее важным мероприятиям Программы относится
дооснащение токамака ТУМАН-3М УНУ ключевыми системами питания, нагрева плазмы и управления
разрядом, в частности:
1) Модернизация системы инжекционного нагрева плазмы с
целью двукратного увеличения вкладываемой мощности (до 1 – 1.2 МВт). Реализация данной задачи
потребует, в частности
- перекоммутации высоковольтной батареи для получения
30кВ на выходе
- закупки зарядного трансформатора на 30кВ
- изготовления высоковольтной индуктивности для
выравнивания высоковольтного напряжения во время разряда инжектора.
- изготовления нового переходного патрубка больших
размеров, с целью уменьшения потерь мощности пучка в переходном патрубке
- изготовления высококачественного калориметра для
измерения мощности пучка до и после переходного патрубка.
2) Модернизация системы управления положением шнура с
целью повышения стабильности разряда и минимизации вероятности срывов. С этой
целью планируется:
- провести ревизию и усовершенствование алгоритмов работы
обратных связей системы управления положением шнура
- разработать и изготовить на современной элементной базе
счетно-решающую часть системы;
- разработать и
изготовить на современной элементной базе силовую часть системы;
3) Развитие диагностического комплекса, в частности:
- модернизация
системы измерения профиля интенсивности мягкого рентгеновского излучения
(замена устаревших детекторов, модернизация электроники и т.п.)
- модернизация комплекса магнитной диагностики с целью
исследования пространственно-временных характеристик альфвеновских колебаний и
магнитной оставляющей ГАМ
- модернизация
диагностики, основанной на зондировании плазмы пучком тяжёлых ионов, с тем,
чтобы сделать возможными измерения в режимах с плазменным током, сонаправленным
с направлением инжекции нейтрального нагревного пучка (т.н. ко-инжекция,
поскольку именно этот режим наиболее привлекателен с точки зрения генерации нейтронного
потока.
- модернизация криогенного инжектора макрочастиц с целью
повышения надежности инжектирования небольших макрочастиц с малой скоростью
(для локализации испарения на периферии плазмы)
- установка и настройка дополнительного анализатора
атомов перзарядки для одновременного измерения их энергетических спектров по
продольной и поперечной составляющей энергии
4) Развитие компьютерного моделирования разряда в УНУ
ТУМАН-3М с применением транспортного кода АСТРА и, возможно, гирокинетического
кода ELMFIRE.
Результаты реализации Программы развития УНУ в период 2014-2015 годов закладывают основу
для существенного прогресса по основным нерешенным задачам и технологиям ПНЗ
«Исследования и разработка физических принципов и технических решений эффективной
и безопасной гибридной ядерной энергетики», а в ближайшем будущем, позволят
получить новые научные результаты мирового уровня, позволят разработать ряд
новых методик и повысить качество и количество оказываемых УНУ услуг.
Руководитель УНУ
/С.В. Лебедев/
Зам. Директора
ФТИ им. А.Ф.Иоффе, д. ф.-м. н.
1 сентября
2015г 2015г