Сферический токамак Глобус-М

Уникальная научная установка – сферический токамак Глобус-М был запущен ФТИ им.А.Ф.Иоффе в 1999г. Токамак сооружён под руководством сотрудников ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, при участии ученых и инженеров Научно-Исследовательского Института Электрофизической аппаратуры, Троицкого института Инновационных и Термоядерных исследований, РНЦ Курчатовский институт, Государственного Политехнического Университета и других организаций. Изготовление основных узлов и сборка установки осуществлена на Государственном предприятии “ Северном Заводе”. При проектировании и изготовлении токамака Глобус-М использовались новейшие технологии и последние достижения отечественной и зарубежной науки и техники.

УНУ Глобус-М - этот современный исследовательский комплекс, входящийнаряду с NSTX (США) и MAST (Великобритания) в тройку лидирующих установок, предназначен для изучения поведения плазмы в лабораторных условиях, а не в реакторном режиме. Исследования водородной плазмы на Глобус-М проводятся при ее температуре до 10 миллионов градусов. Нагрев осуществляется с помощью тока протекающего по плазменному шнуру и методами дополнительного нагрева. Получена рекордная для сферических токамаков плотность плазмы, предложены и отрабатываются новые методы радиочастотного нагрева плазмы и новые методы подачи топлива в горячий плазменный шнур. Полученные данные позволят существенно улучшить понимание фундаментальных процессов в плазме токамака, с одной стороны, и оценить перспективнось применения сферических токамаков в реакторной программе с другой. В настоящее время Глобус-М является единственной устонвкой в России, где осуществляется исследования плазмы в конфигурации термоядерного реактора (диверторной конфигурации). С приказом о создании уникальной научной установки "Сферический токамак Глобус-М" можно ознакомиться здесь.

Сферический токамак Глобус-М с присоединенными системами дополнительного нагрева.
Сферический токамак Глобус-М с присоединенными системами дополнительного нагрева.

В состав уникальной научной установки, в соответствии с Приказом ФТИ им. А.Ф. Иоффе, также входят следующие объекты:

  • 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
  • Источник питания нереверсивный управляемый тиристорный тороидальной обмотки токамака
  • Источник питания обмотки индуктора токамака реверсивный управляемый тиристорный Глобус-М
  • Модуль детекторный для системы регистрации поверхностных возмущений плазмы в токомаке Глобус-М
  • Модуль детекторный для спектрометрометрической системы токамака Глобус-М
  • Модуль светосильный спектрометрический
  • 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 нижне-гибридной генерации тока токамака Глобус-М с антенной грилл
  • Система управления и коммутации токамака Глобус-М
  • Система электромагнитная токамака Глобус-М2
  • Трансформаторная подстанция с кабельным коллектором
  • Центральная сборка обмотки тороидального поля (Центральная колонна)
  • Электромагнитная система токамака Глобус-М

Сведения о метрологическом обеспечении средств измерений:

В состав УНУ входят исключительно средства измерений являющиеся нестандартными (уникальными). Ввиду отсутствия соответствующих компетентных организаций, получение свидетельств о проверке, сертификатов о калибровке средств измерений не представляется возможным.

На УНУ Глобус-М разработаны следующие методики:

  • Методика измерения радиальных распределений параметов плазмы вблизи сепаратрисы подвижным зондом МИ 030-ФЦНА-2105
  • Методика расчетов и измерения анизотропной функции распределения быстрых ионов
  • Методика измерения потока нейтронов с помощью газоразрядных счетчиков CHM-11
  • Методика измерения радиационных потерь плазмы на основе спектрометрических измерений МИ 018-ФЦНА-2015
  • Методика создания плазмы и старта тока с помощью высокочастотной мощности нижнегибридного диапазона частот 900 МГц
  • Методика измерения энергетического состава пучка методом доплеровской спектроскопии
  • Методика измерения нейтронного выхода при взаимодействии пучка быстрых частиц с плазменной мишенью
  • Методика определения характеристик материалов после взаимодействия с плазмой
  • Методика испытаний сцинтилляционного детектора
  • Методика нагрева плазмы внешними источниками
  • Методика испытаний спектральной аппаратуры на токамаке
  • Методика обработки материалов с помощью плазменных разрядов
  • Методика измерений в ближней инфракрасной области спектра
  • Методика транспортных расчётов с помощью компьютерных кодов
  • Методика контроля параметров плазменной струи высокой плотности

Информация также доступна на сайте "Современная исследовательская инфраструктура Российской Федерации"

УНУ Глобус-М представляет собой сферический токамак нового поколения, предназначенный для исследования физических процессов в плазме сферической конфигурации и отработки инженерных рекомендаций для сферических токамаков мегаамперного диапазона. Основные параметры сферического токамака Глобус-М приведены в таблице 1. Электромагнитная система (ЭМС) токамака спроектирована по классической схеме, когда все обмотки расположены вне вакуумной камеры. Полоидальная система токамака ориентирована на создание плазменного шнура различных конфигураций.


Магнитные конфигурации плазменного шнура Глобус-М, слева – лимитерная, справа – диверторная.

Вакуумная камера токамака Глобус-М объемом около 1,1 м3 представляет собой цельносварную конструкцию из нержавеющей стали. Она имеет 38 диагностических патрубков общей площадью 0,8 м2, что обеспечивает хороший доступ к плазме для диагностического комплекса и источников дополнительного нагрева. Основная часть обращенной к плазме поверхности, наиболее подверженная воздействию плазменных потоков, защищена плитками, изготовленными из специального типа графита РГ-Ti91, который обладает малыми коэффициентами распыления иимеет высокую теплопроводность.

Фотография внутренней поверхности вакуумной камеры с установленным графитовым покрытием. В середине фотографии хорошо виден центральный столб.

В качестве дополнительного нагрева плазмы, на УНУ Глобус-М применяются два основных метода. Хорошо изученный метод инжекции пучка высокоэнергичных атомов характеризуется мощностью пучка до 1 МВт и энергией инжектируемого водорода/дейтерия до 30 кэВ. Инжектор высокоэнергичных атомов внешне выглядящий как крупная цистерна серого цвета видна на заднем плане фотографии).

Внешний вид УНУ Глобус-М. Слева хорошо виден инжектор нейтральных атомов.

Благодаря наличию в конструкции вакуумной камеры люков большого сечения, удалось без потерь ввести пучок атомов сечением 150 × 80 мм2. Вторым методом является высокочастотный нагрев плазмы на частотах ионно-циклотронного резонанса с частотой 7,5 МГц и мощностью до 0,3 МВт.

Основные характеристики УНУ Глобус-М привеедены в Таблице.

Большой радиус плазмы, R (м) 0,36
Малый радиус плазмы,а (м) 0,24
Аспектное отношение, R/a 1,5
Вытянутость плазменного шнура < 2,0
Треугольность плазменного шнура < 0,5
Тороидальное магнитное поле (Tл) 0,4
Ток плазмы (MA) 0,3
Температура электронов (кэВ) < 0,7
Температура ионов (кэВ) < 1,0
Дополнительный нагрев NBI (кэВ/МВт) 30 / 1
Дополнительный нагрев ICRH (МГц/МВт) 7,5 / 0,3
Энергетическое время жизни (мс) 5 – 10
Длительность импульса (с) < 0,15

Диагностический комплекс УНУ Глобус-М состоит из большого числа мониторных диагностик, работающих постоянно: датчики токов и напряжений в обмотках магнитной системы токамака, набор петель и зондов магнитной диагностики, СВЧ-интерферометр, детекторы оптического (коллимированные и обзорные датчики светимости линий водорода и дейтерия, датчики излучения легких примесей, обзорные спектрометры) и рентгеновского (мягкого и жесткого) излучения, болометры, зонды Ленгмюра и др.

В зависимости от задач, стоящих перед экспериментом, могут подключаться сложные диагностические системы, требующие участия оператора или передающие большой объем дополнительной информации в базу данных установки, такие как диагностика томсоновского рассеяния, диагностика потоков атомов перезарядки, быстрая видеокамера оптического диапазона.

С помощью диагностики томсоновского рассеяния, профиль температуры и плотности электронов измеряется по пяти пространственным точкам вдоль малого радиуса с внутренней стороны плазменного шнура. Диагностика позволяет производить до 20 измерений за разряд в заранее заданных временных точках. Минимальный интервал между соседними измерениями не превышает 500 мкс. Ионная температура определяется по потокам атомов перезарядки с помощью анализатора АКОРД-12, линия наблюдения которого направлена вдоль большого радиуса токамака. Анализатор позволяет одновременно производить измерения потоков атомов водорода и дейтерия по шести энергетическим каналам для каждого изотопа. Минимальное временное разрешение прибора составляет 1 мс. Второй аналогичный анализатор имеет линию наблюдения, направленную в тороидальном направлении.

Схема размещения основных систем и диагностик УНУ Глобус-М (вид сверху).

Для сбора информации на установке имеется более 500 цифровых каналов записи. Получаемая во время импульса информация (более 150 Мб за импульс) хранится в базе данных разрядов и доступна для удаленного доступа через сеть Internet.

Окно программы обработки экспериментальных данных УНУ Глобус-М, основные параметры разряда (справа) и реконструированная форма плазменного шнура по коду EFIT (слева).