Статус УНУ

Уникальная научная установка (УНУ) «Сферический токамак Глобус-М» — первый в России и один из трех крупнейших в мире сферических токамаков мегаамперного диапазона, создан в 1999 году, руководитель – Гусев Василий Константинович. Находится в ФТИ им.А.Ф.Иоффе. Установка предназначена для исследования физических процессов и отработки технологий и инженерных рекомендаций удержания и нагрева субтермоядерной плазмы в сферической конфигурации плазмы с дивертором. В середине 2014 года УНУ «Сферический токамак Глобус-М» вошел в число победителей конкурса по мероприятию 3.1.1 Поддержка и развитие уникальных научных установок Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» и получил финансовую поддержку государства в лице Минобрнауки России (соглашение № 14.619.21.0001 от 15 августа 2014 г., уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI61914X0001).

Сферические токамаки представляют собой предельный случай обычного токамака малым отношением радиусов тора (аспектным отношением). Экономически более эффективные, сферические токамаки весьма привлекательны для использования в качестве источника термоядерных нейтронов.

Кадровый состав и аппаратура УНУ Глобус-М в настоящее время активно вовлечены в решение приоритетной научной задачи (ПНЗ) "Исследования и разработки физических принципов и технических решений эффективной и безопасной гибридной ядерной энергетики".

Перечень задач, решаемых с помощью УНУ «Сферический токамак Глобус-М» для программы реализации ПНЗ: Подробный перечень научных задач решаемых с помощью УНУ приведен в Программе научных исследований на базе УНУ «Сферический токамак Глобус-М». Часть задач в соответствии с Программой реализации ПНЗ решается в рамках ЦКП «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях».

На решение задач ПНЗ направлены мероприятия по развитию инфраструктуры УНУ. Основные научные исследования сконцентрированы на следующих тематиках в поддержку ПНЗ "Исследования и разработки физических принципов и технических решений эффективной и безопасной гибридной ядерной энергетики":

- Взаимодействие горячей термоядерной плазмы с быстрыми сверхтепловыми частицами. Быстрые сверхтепловые частицы возникают благодаря использованию дополнительного нагрева плазмы путем инжекции атомных пучков высокой энергии, а также при вводе электромагнитного излучения на резонансных частотах. Применение обоих методов направлено на нагрев плазмы токамака до температур, близких к термоядерным, и эффективной генерации нейтронов в реакции ядерного синтеза ядер изотопов водорода при взаимодействии пучок-плазма в установках масштаба термоядерного источника нейтронов.

-Взаимодействие горячей плазмы с мощным электромагнитным излучением. Электромагнитное излучение в диапазоне частот нижнего гибридного резонанса используется для возбуждения в плазме безындукционного тока. В сферическом токамаке характер взаимодействия излучения с плазмой имеет существенные особенности. Тематика исследований направлена на отработку методик и технологии квазистационарного режима поддержания тока в компактном токамаке – прототипе генератора нейтронов.

- Физика процессов в периферийной плазме. Процессы в периферийной плазме и взаимодействие плазмы с поверхностью исследуются в плазме, удерживаемой в диверторных магнитных конфигурациях со сложной формой поперечного сечения. Исследования имеют большое значение как для понимания физических механизмов в плазме пристеночного (пограничного) слоя, так и для отработки технологии вывода продуктов термоядерного горения, в том числе из диверторного устройства сферического токамака.

Параллельно с решением задач ПНЗ осуществляется программа развития УНУ:
Программа развития УНУ Глобус-М на 2014-2015 гг. была разработана с учетом планов развития ФТИ им. А.Ф. Иоффе, как базовой организации, и мировых тенденций развития науки в области исследований УТС на сферических токамаках. Программа заложила основы для существенного роста основных параметров установки в среднесрочной перспективе. Для достижения или превосходства мирового уровня исследований концепцией развития УНУ до 2020г. предусмотрен ряд инфраструктурных проектов, начиная с создания новой электромагнитной системы и заканчивая модернизацией установки в целом, включая мероприятия по модернизации системы энергопитания установки и систем дополнительного нагрева плазмы.

Информация для пользователей размещена в разделе Порядок оказания услуг. На постоянной основе проводится работа по повышению привлекательности УНУ для организаций пользователей, путем повышения доступности, постоянного совершенствования методик, информационного обеспечения и развития кадрового потенциала УНУ Глобус-М.

УНУ Глобус-М оснащена системами дополнительного нагрева плазмы — инжектором нейтральных атомов и ВЧ комплексом нагрева на частотах ионно-циклотронного резонанса, а также рядом современных диагностик, в том числе: многоканальной системой Томсоновского рассеяния, анализаторами потока нейтральных атомов, системой управления положением и формой плазмы.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 15 августа 2014 г. №14.619.21.0001 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» выполнялись следующие работы:

За период выполнения работ по этапу №1 Соглашения достигнут существенный прогресс в создании новой электромагнитной системы установки Глобус-М. В рамках подготовки производства отработана технология изготовления наиболее критического узла ЭМС – ее центральной части. Показано, что соленоид для возбуждения тока плазмы может быть намотан на центральную колонну ОТП с заданным зазором, обеспечивающим свободное перемещение соленоида и колонны относительно друг друга. Следствием данного технологического решения будет повышение надежности эксплуатации и точности сборки ЭМС с минимизацией паразитных магнитных полей, вызванных погрешностями в изготовлении.

Проводились работы по модернизации двух основных систем для ввода в плазму дополнительной мощности. Первый вид работ связан с созданием волноводного тракта для ввода в плазму излучения в диапазоне частот нижнего гибридного резонанса. Второй вид работ направлен на повышение энергии инжектируемого в плазму атомного пучка. Модернизация обеих систем направлена на их перспективное использование в установке Глобус-М2 с повышенным магнитным полем и током плазмы, и как следствие, с более высокой температурой и плотностью частиц.

Разработка двух новых методик расширяет возможности для проведения экспериментов на УНУ. Методика измерения энергетического состава пучка регулярно используется в эксперименте. Результаты измерений применяются при последующем анализе экспериментальных данных. Создан задел для развития диагностического комплекса для исследований диверторной плазмы. Особый интерес представляет «прыгающий» зонд – технически сложное устройство, позволяющее измерять радиальные распределения параметров плазмы вблизи границы в течение короткого промежутка времени в одном разряде. Температура и плотность электронов внутри сепаратрисы будут измеряться в пяти дополнительных пространственных точках диагностикой томсоновского рассеяния лазерного излучения. Измерение радиационных потерь плазмы в различных спектральных диапазонах станет возможным после создания нового модуля на основе XUV приемников SPD типа. Данная диагностика важна как для изучения энергетического баланса плазмы, так и для материаловедческих исследований, связанных с использованием вольфрама в зоне нижних диверторных пластин.

В период проведения мероприятий по этапу №2 Соглашения были выполнены основные работы по изготовлению новой электромагнитной системы УНУ, модернизации источника питания центрального соленоида новой ЭМС, модернизации систем дополнительного нагрева и генерации тока плазмы. На основании предварительного макетирования была решена наиболее критическая проблема намотки центрального соленоида. В изготовленной центральной части ЭМС имеется возможность свободного вращения соленоида и его продольного перемещения относительно внутреннего стержня обмоток тороидального магнитного поля. После проведения серии магнитных измерений будут выданы окончательные рекомендации по юстировке соленоида в целях минимизации асимметрии окончательной сборки ЭМС.

Существенно развитие получил диагностический комплекс УНУ. Проведенные мероприятия касались как совершенствования диагностик для измерения параметров основной плазмы, так и диагностик периферийной плазмы. Разработаны две новые диагностические методики для исследования взаимодействия пучка ионов высокой энергии с плазменной мишенью (методика измерения потоков нейтронов с помощью газоразрядных счетчиков) и исследования радиационных потерь в различных областях спектра (методика измерения и расчета радиационных потерь с помощью фотодиодов SPD с фильтрами).

Сведения о ходе выполнения работ по Соглашению размещены на сайте ФТИ им. А.Ф. Иоффе. В период проведения мероприятий по этапу №3 Соглашения было завершено изготовление новой электромагнитной системы. Ее критические узлы, подверженные наиболее высоким механическим нагрузкам, выполнены из высокопрочных проводников с каналами для водяного охлаждения. Монолитные соединения проводников усилены штифтами. В процессе работы полномасштабные макеты штифтовых соединений были испытаны статической и циклической нагрузкой, в том числе и при повышенной рабочей температуре материалов. На основе испытаний был выбран тип изоляции с пропиткой эпоксидными смолами и определен оптимальный класс шероховатости поверхности проводника для наилучшей адгезии с клейкими изоляционными материалами. Для усиления электромагнитной системы относительно опрокидывающих нагрузок в ее конструкцию введены дополнительные бандажные кольца, соединенные крестовинами. Все соединения обмоток тороидального магнитного поля выполнены гибкими перемычками, что позволяет снять механическую нагрузку с высокоточных электрических контактов. Проведены испытания центрального соленоида в сборке c внутренним стержнем обмоток тороидального магнитного поля. В процессе испытаний измерены распределения магнитных полей и потоков. Проведены подробные электрические и гидравлические испытания всех новых катушек.

Проведен комплекс монтажных и пусконаладочных работ реверсивного источника питания, рассчитанного на ток +/-70 кА при напряжении +/-1,2 кВ с длительностью импульса 1 с. Источник установлен на подстанции на территории ФТИ. Проведены работы по модернизации систем дополнительного нагрева и генерации тока плазмы как нейтральным пучком, так и резонансным электромагнитным излучением. В эксперименте апробирован метод безындукционного старта тока с использованием излучения на двух частотах 900 МГц и 2,45 ГГц. Разработаны две новые диагностические методики для измерения радиальных распределений плазмы вблизи сепаратрисы подвижным зондом, а также для расчетов и измерения анизотропной функции распределения быстрых ионов. Получил развитие комплекс корпускулярной диагностики, диагностика периферийной плазмы на основе Ленгмюровских зондов, диагностика радиационных потерь плазмы со спектральным разрешением.

Впервые в экспериментах продемонстрирована генерация безындукционного тока плазмы при замедлении волн в полоидальном направлении. Впервые на сферических токамаках на основе анализа диамагнетизма плазмы получены систематические данные о поглощенной мощности пучка и нагреве плазмы в различных изотопных комбинациях плазма-пучок.

Таким образом, все работы выполнены в полном объёме в соответствии с Планом-графиком Соглашения.

Резюме проекта по этапу №1.

Резюме проекта по этапу №2.

Резюме проекта по этапу №3.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетных этапах исполненными надлежащим образом.

После окончания модернизации УНУ (окончание работ 2016 г) параметры плазмы вырастут в 2.5-3 раза и установка получит название Глобус-М2. С учетом этого обстоятельства, в настоящее время разрабатывается Программа развития УНУ до 2020 года.