Т-15МД: ток плазмы, измерения и управление разрядом

Новый диапазон тока

Токамак Т-15МД в НИЦ «Курчатовский институт» вышел на плазменный ток свыше 500 кА. О новых режимах 18.03.2025 сообщила Наталья Кирнева, руководитель отделения экспериментальной физики токамаков. Установка стала регулярно работать при тороидальном магнитном поле 1,5 Тл; в 2023 году рабочий диапазон составлял 1,1–1,2 Тл. Декабрьские эксперименты 2023 года дали ток 260 кА и разряды продолжительностью более двух секунд. Эти параметры относятся к предыдущей кампании, а не к новому разряду с током свыше 500 кА.

В 2024 году исследователи получили плазму с вытянутостью сечения более 1,5 и удерживали её почти секунду. Работа с разными конфигурациями сопровождается развитием диагностик: температуры, плотности, магнитных возмущений и излучения. Для каждой системы различаются уже выполненные измерения, расчётные возможности и задачи дальнейшего оснащения.

Граница плазмы и сценарий разряда

Первые две экспериментальные кампании Т-15МД прошли в 2023 году в лимитерной конфигурации. Графитовый ограничитель задавал границу плазмы, а гиротрон частотой 82,6 ГГц и мощностью 1 МВт использовался для предварительной ионизации газа и настройки подъёма тока. Подготовка осенней кампании включала численный анализ весенних пусконаладочных разрядов. Расчёты неустойчивого по вертикали равновесия помогли разработать сценарий формирования устойчивого плазменного шнура, нарастания тока, контроля расстояния до стенок и управления перемещением плазмы.

Восстановление границы опиралось на экспериментальные сигналы: напряжения на обходе, токи полоидальных обмоток и плазменный ток. Полученные равновесные конфигурации согласовывались с моделированием кодом ТОКАМЕК (TOKAMEQ). Отдельной задачей оставалось разделение тепловой и надтепловой составляющих мягкого рентгеновского спектра. В ранних разрядах распределение электронов не описывалось одной максвелловской функцией. Там, где тепловую часть удавалось надёжно выделить, электронная температура составляла 1,5–3,5 кэВ и менялась с условиями и стадией разряда. Надтепловая часть сопровождала появление ускоренных электронов. Магнитное восстановление границы и спектральные измерения относились к разным характеристикам одного экспериментального комплекса: положению шнура и энергетическому распределению его электронов. Большой радиус установки составляет 1,48 м, малый — 0,67 м; низкое аспектное отношение равно примерно 2,2.

Температура вдоль лазерной хорды

Тангенциальная диагностика томсоновского рассеяния была введена в эксплуатацию в 2023 году. Лазерный луч проходит через плазму в экваториальной плоскости от внутренней до внешней периферии. Система использует неодимовый лазер с длиной волны 1064 нм и частотой 100 Гц, десять пространственных каналов и полихроматоры с интерференционными фильтрами. Интервал измерений составляет 10 мс. Возможность записи рассчитана на разряды до десяти секунд, тогда как в осенних экспериментах была продемонстрирована работа на протяжении разрядов примерно двухсекундной длительности.

Свет проходит оптический тракт длиной более 40 метров. Расширение пучка уменьшает влияние дифракции, а ловушки света подавляют паразитное рассеяние на элементах камеры. Абсолютная калибровка проводится по рамановскому рассеянию на азоте. Температуру определяют по форме спектра, плотность — с учётом амплитуды, энергии каждого лазерного импульса и чувствительности системы. В разряде № 892 при токе до 175 кА и дополнительном СВЧ-нагреве 1 МВт на квазистационарной стадии измерили электронную температуру 2,5 кэВ и центральную плотность около 1,2 × 10¹⁹ м⁻³. Температурные данные согласовывались с мягкой рентгеновской диагностикой. Эти значения относятся к конкретному разряду 2023 года, а не к объявленному в марте 2025 года токовому рубежу.

Плотность на всём пути зондирования

СВЧ-интерферометр Т-15МД измеряет электронную концентрацию вдоль вертикальной линии зондирования. Изменение фазы прошедшей через плазму волны связано с интегралом плотности по её пути. Такая величина имеет размерность м⁻²; она отличается от локальной объёмной плотности в м⁻³. Одного измерительного канала недостаточно для получения полного пространственного профиля без дополнительных предположений. Многоканальная лазерная схема с горизонтальным зондированием рассматривалась как дальнейшее развитие комплекса, а не как результат работы уже установленного микроволнового канала.

Два способа обработки обслуживают разные задачи. Аналоговый фазометр даёт сигнал с задержкой около двух микросекунд, пригодный для будущего использования в управлении плотностью. Цифровая обработка сохраняет более подробную временную структуру сигнала. В первых экспериментах весны 2023 года результаты фазометра и цифрового восстановления с преобразованием Гильберта почти совпадали. Оценка среднеквадратичного отклонения составляла 2 × 10¹⁶ м⁻², временное разрешение достигало 0,2 микросекунды. В измерительном тракте учитывали паразитную гармонику и особенности фильтрации. Быстрый аналоговый выход и точная последующая обработка не равнозначны демонстрации замкнутого регулирования: использование сигнала в такой системе обозначалось как перспективное применение диагностики. Цифровая система оцифровывает сигнал с частотой 104 МГц, тогда как выход фазометра регистрируется с частотой 50 кГц.

Рефлектометр для пространственного профиля

Для измерения профиля электронной плотности разрабатывается отдельный частотно-модулированный рефлектометр. Обыкновенная волна предназначена для периферии, необыкновенная — для более глубоких областей плазмы. Проектный частотный диапазон 12–66 ГГц разделён на четыре перекрывающихся участка. Доступность конкретной области зависит от поляризации, магнитного поля и плотности. Одинаковая частота при разных поляризациях не задаёт одинаковую отражающую поверхность, поэтому диапазон прибора нельзя переводить в единый предел плотности без указания условий расчёта.

Размещение оборудования связано с геометрией установки. Переход к волноводу меньшего сечения из-за конструкционных ограничений поднял нижнюю частотную границу с 8 до 12 ГГц. Расчёты оптического и микроволнового тракта включали потери, отражение и ожидаемые флуктуации плотности. Типичное отношение сигнала к шуму оценивалось в 40–45 дБ при целевом уровне 30 дБ. Это прогноз для разрабатываемой диагностики, а не измеренная характеристика полностью введённого комплекса. Допустимые в расчёте флуктуации плотности 0,3–0,5% также не являются погрешностью измерения самой плотности. Проверки отдельных компонентов и выбор их параметров составляют этапы разработки. Полный профиль предполагается восстанавливать с учётом последовательного распространения волны и исходных условий, необходимых для обработки отражённого сигнала.

Вертикальное оптическое зондирование

Проект вертикальной диагностики томсоновского рассеяния дополняет тангенциальную систему другой геометрией наблюдения. Зондирование предусмотрено по вертикальному диаметру плазменного шнура лазером на длине волны 532 нм. Многопроходная схема увеличивает количество рассеянного света. Широкоугольный объектив передаёт его в коллектор из 159 оптоволоконных сборок, распределённых между тремя спектральными приборами. Расчётное пространственное разрешение составляет около 11 мм в центральной области и 22 мм на периферии. Эти параметры относятся к проектируемой системе.

Точность оценивали синтетической диагностикой, учитывающей пропускание оптики, шум усилителя изображения и аппаратную функцию спектрального прибора. Из кадра с сигналом рассеяния и фоном вычитается отдельный фоновый кадр. Для расчёта использовали спектры из области лимитера Т-15МД, уменьшив их интенсивность в десять раз для представления центральной области наблюдения. При таком фоне ожидаемая ошибка менее 10% достигается в центре для электронной температуры 80 эВ–6 кэВ и плотности выше 6 × 10¹⁸ м⁻³. Периферийный диапазон составляет 100 эВ–2 кэВ при плотности выше 10¹⁹ м⁻³. Различие условий для центра и края сохраняется в прогнозе; единой точности для любой температуры и плотности проект не задаёт. Суммарное пропускание оптической системы в синтетической диагностике принято равным 21%; отдельные узлы имеют другие коэффициенты пропускания.

Магнитные возмущения и форма сечения

Внутри вакуумной камеры расположены 39 стационарных двухкомпонентных магнитных зондов. Каждый содержит две катушки с взаимно перпендикулярными осями. Для исследования магнитогидродинамических возмущений использовали тангенциальные сигналы. В D-образном сечении расстояния от зондов до плазмы неодинаковы, а их ориентация отличается от касательной к магнитным поверхностям. Эти особенности меняют амплитуды и фазы измеряемых колебаний. Определение полоидального модового числа требует обработки, учитывающей такую геометрию.

Проверки на синтетических и экспериментальных сигналах охватывали двумерное преобразование Фурье, разложение по сингулярным значениям, преобразование Гильберта и фазовые матрицы. В разряде № 893 зарегистрировали семь последовательных всплесков активности. Для двух поздних возмущений методы согласованно дали полоидальные модовые числа 3 и 2. Второе из них подтвердили измерения мягкого рентгеновского излучения. Для ранних всплесков точное определение затруднялось недостаточным полезным сигналом на части зондов. Двумерное преобразование Фурье подходит для быстрой обработки после разряда; фазовые матрицы требуют ручного выбора частотно-временных областей и более длительного анализа. Комбинация сингулярного разложения и преобразования Гильберта оказалась чувствительнее к пропущенным данным и нуждается в доработке. Ни один из этих результатов не означает автоматического подавления возмущений в реальном времени.

Излучение ускоренных электронов

Жёсткая рентгеновская диагностика исследует другую часть электронного распределения. На Т-15МД установлен коллиматор с двумя сцинтилляционными детекторами на основе бромида лантана. Номинальный диапазон регистрации составляет 0,3–10 МэВ. Речь идёт об энергии регистрируемых фотонов, которую нельзя напрямую подменять энергией испустивших их электронов. Лабораторные испытания и предварительные эксперименты на токамаке проверяли работу детекторов и восстановление спектров. В опытах с подводимой микроволновой мощностью 80 кВт наблюдались фотоны с энергиями до 700–800 кэВ.

Поле зрения коллиматора составляет около двух градусов. Поворотное основание с электрическим приводом позволяет дистанционно менять горизонтальное направление наблюдения; вертикальная установка задаётся винтовыми опорами. Так выбирают область, из которой детекторы собирают излучение. Расчётная пространственная разрешающая способность зависит от расстояния до плазмы и геометрии наблюдения. Программная обработка сначала находит отдельные импульсы, затем определяет базовую линию и амплитуду, после чего формирует энергетический спектр по калибровочной зависимости. Расчёты экранирования выполнялись методом Монте-Карло. Наличие поворотного коллиматора и спектрометрии расширяет наблюдение за ускоренными электронами, но предварительные испытания не являются уже выполненным полным восстановлением их двумерного распределения во всём плазменном объёме. Горизонтальный поворот предусмотрен в пределах ±17 градусов, вертикальная механическая настройка — в пределах ±6 градусов относительно исходного положения.

Газ в графитовой облицовке

Для контактирующих с плазмой элементов Т-15МД выбрали мелкозернистый графит марки R6510P100D01. Лабораторные исследования охватывали плотность, пористость, тепловые свойства, микроструктуру и удержание водорода. Измерения небольших образцов дополняли сведения технических паспортов материала. При комнатной температуре средняя плотность составляла 1,80 ± 0,05 г/см³, расчётная пористость — около 20,4%. Температуропроводность в разных направлениях совпадала в пределах погрешности. Эти характеристики относятся к исследованным образцам и условиям измерения, а не к мощности отвода тепла всей стенкой работающего токамака.

Термодесорбционный анализ разделял водород, захваченный приповерхностными слоями из воздуха, и более глубоко удерживаемый водород, оставшийся после производства графита. Рассмотренные умеренные режимы отжига не обеспечивали существенного удаления глубинного запаса. Полное обезгаживание лабораторных образцов требовало нагрева до 1400–1500 К. После получасовой выдержки на воздухе полностью обезгаженный образец вновь захватывал около 30% исходного количества водорода. Перенос результатов на крупные облицовочные элементы ограничивается иным соотношением объёма и поверхности. Поэтому изменение состояния графита включает не только нагрев, но и последующее взаимодействие с газовой средой. Полученные лабораторные зависимости не задают гарантированного режима очистки всей вакуумной камеры и не характеризуют срок службы уже установленной облицовки. Расчётная теплопроводность исследованных образцов при комнатной температуре составила 118 ± 6 Вт/(м·К), температуропроводность — 90 ± 3 мм²/с.

Оптика для диверторной области

Концептуальный проект пассивной спектроскопии дивертора предусматривает наблюдение излучения без активного зондирующего пучка. Плазма в этой области пространственно неоднородна: тонкие диверторные ветви соседствуют с более протяжёнными излучающими зонами. Оптическая система должна собирать информацию с разных участков, выдерживая воздействие окружающей среды. Первое зеркало подвергается эрозии и загрязнению углеродными плёнками. В проекте рассматриваются защитные затворы и ограничение входного отверстия, а также влияние вибраций, магнитных полей и перемещений конструкций.

Тангенциальная схема включает внутрикамерные зеркала и четыре канала регистрации отдельных спектральных линий. Возможность восстановления двумерного распределения излучения проверяли синтетической диагностикой: расчётные поля плазмы преобразовывались в изображения, которые затем обрабатывал томографический алгоритм. Для этого использовались численные модели плазмы и распространения света, а не набор экспериментальных снимков работающего дивертора. Качество восстановления зависело от обзора, направления наблюдения и положения излучающей области. В частности, восстановление внешней точки пересечения магнитных линий с пластиной ограничивалось геометрией. Проект предназначен для исследования параметров диверторной плазмы, включая режим отделения от мишени. Моделирование его диагностических возможностей не равно наблюдению такого режима на Т-15МД и не подтверждает ввод всей оптической системы в эксплуатацию. Три внутрикамерных зеркала в предложенной схеме передают свет к камерам, настроенным на линии водорода и углерода.

Дрейфы в расчёте дивертора

Численные исследования дивертора Т-15МД объединяют гидродинамическое описание плазмы и моделирование нейтральных частиц методом Монте-Карло. В комплексе СОЛПС-ИТЭР (SOLPS-ITER) сравнивали решения с учётом дрейфов и токов и без этих эффектов. Один из рассмотренных сценариев задавался водородной плазмой, током 1 МА, двухнулевой магнитной конфигурацией и мощностью 6 МВт, поступающей через сепаратрису в периферийную область. Это исходные условия вычислительной задачи, а не достигнутый экспериментальный режим или термоядерная мощность установки.

Дрейфовое движение перераспределяет частицы и тепло между внутренним и внешним диверторами. При увеличении подачи газа и столкновительности его влияние ослабевает. В расчётах также менялись потоки углерода и вклад рекомбинации, связанные с поведением тока насыщения на пластинах. Сопоставление результатов требует сохранять выбранную величину по горизонтальной оси:

• плотность на сепаратрисе характеризует границу удерживаемой плазмы;
• полный запас водорода относится ко всей моделируемой области;
• совпадение кривых при одном способе сопоставления не означает совпадения при другом.

Модель использует заданные коэффициенты переноса и условия взаимодействия с поверхностями. Центральная плазма в ней не рассчитывается. Порог перехода к отделению плазмы от мишени остаётся характеристикой выбранного сценария, а не универсальным пределом работы Т-15МД.

Омический нагрев и перенос энергии

Транспортная модель канонических профилей применяется к прогнозу ранних омических режимов Т-15МД. Сначала её проверяли на данных токамака Т-10 с пониженным магнитным полем 1,55–2,1 Тл. Расчёты использовали экспериментальный профиль плотности и совместно решали задачи переноса электронной и ионной энергии и диффузии тока. Сравнение с Т-10 оценивало применимость модели в исследованном диапазоне. Оно не заменяет будущую проверку прогнозов по собственным измерениям Т-15МД.

Для Т-15МД рассматривалась водородная плазма круглого сечения в лимитерной конфигурации при магнитном поле 1–2 Тл. Профиль плотности подбирался с условием сохранения заданного нормированного профиля давления. Прогнозируемые электронная и ионная температуры различались. В исследованном диапазоне плотностей время удержания энергии слабо менялось с плотностью, соответствуя насыщенному омическому удержанию. Это время характеризует энергетический баланс и отличается от длительности всего разряда. При сохранении запаса устойчивости на границе увеличение магнитного поля сопровождалось ростом тока и мощности омического нагрева. Мощность, плотность и температура в таких расчётах связаны между собой. Вычисленные зависимости служат основой для сопоставления со сценариями разрядов и экспериментальными профилями; их условия сохраняются отдельно от новых токовых результатов и возможностей ещё разрабатываемых диагностик. Для запаса устойчивости на границе, равного четырём, расчётное время удержания энергии находилось примерно в диапазоне 23–45 мс.