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= 0.22 м;

-аспектное отношение тора, A=R/a= 2.4

-объем плазмы 0.5 м3;

-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