tnenergy: Новый российский токамак

Вложение приличных денег (2,5 миллиарда рублей) в еще один (наряду с ИТЭР) токамак может показаться неразумным на фоне концептуальной тупиковости машин такого размера, тем не менее это очень важный шаг для поддержания отечественной школы плазмистов и УТС. Кроме того, участвуя в ИТЭР, необходимо иметь токамак достаточных размеров, на котором можно отработать некоторые из идей, прежде чем испытывать их в большой международной лаборатории (и наоборот, углублять понимание данных, полученных на ИТЭР).

Для начала стоит вспомнить Т-15, который “модернизируется” в ходе данного проекта (в кавычках это, потому что Т-15МД - это абсолютно новая машина на площадке Т-15, а не модернизация). К моменту принятия решения о строительстве Т-15 СССР начал ощутимо терять лидерство в теории и практике токамаков. Проигрывая JET и TFTR в размерах, Т-15 должен был выигрывать за счет сверхпроводящих тороидальных магнитов, что позволяло сильно удлинить плазменные импульсы и получить плазму высокой плотности и температуры. Для этого было необходимо создать рекордные для начала 80х сверхпроводящие магниты с диаметром около 2 метров и полем на обмотке в 6,5 Т из технологически сложного сверхпроводника Nb3Sn. НИОКР, изготовление и сборка токамака заняла 7 лет.

К сожалению, судьба Т-15 сложилась очень печально. Он был изготовлен с ошибками в системе криогенного охлаждения, еще больше проблем оказалось у вакуумной камеры, которая текла и не позволяла достичь необходимого вакуума. В итоге с 1988 по 1995 удалось “пощупать” только инжерную область параметров - короткие импульсы в 1 секунду с током до 1 МА (при планируемом 2 МА и десятках секунд).

Что характерно, к моменту пуска Т-15 в мире появился конкурент, французский сверхпроводящий токамак Tore Supre, с очень похожими размерами и идеологией. И именно ему принадлежит сегодняшний рекорд по длительности плазменного импульса - порядка 1000 секунд.


Tore Supra во время апргрейда в диверторную конфигурацию (как раз установку опоры дивертора внизу мы видим) под названием WEST. Видно, что Tore Supra гораздо более горизонтально вытянут, чем планируемый Т-15МД.

За прошедшее время Т-15, конечно, устарел и морально, и по задачам. Поэтому в рамках “модернизации” команда Курчатовского института во главе с Э.А.Азизовым в свое время предложила на месте Т-15 создать токамак Т-15МД. В новой машине для снижения стоимости и сложности не используются сверхпроводники - магнитная система намотана медным проводником с водяным охлаждением. Новый токамак почти сферический, что позволит поднять плотность и температуры плазмы в тех же габаритах (точнее говоря, плазма остается стабильной при бОльшем отношении давления плазмы к давлению магнитного поля), что и для старого Т-15. Вообще сферичность (или правильнее - аспект) токамака является интересным компромиссом - уменьшая аспект (т.е. делая токамак более сферическим) мы можем поднять давление плазмы при том же поле, но и поле у нас начнет уменьшаться, потому что в центре будет оставаться все меньше места для магнитов. Так, для сферических MAST и NSTX характерные значения тороидального поля - в районе 0.5-0.8 Т, при этом габаритные ограничения не позволяют поднимать поле за счет размещения сверхпроводящих магнитов.

Основные параметры нового токамака, большой радиус R=1,5 м и малый радиус a=0,5 м, достижимая плотность 10^20 частиц на кубометр, максимальный ток плазмы в 2 МА и достижимые температуры электронов и ионов 5-9 кэВ, позволяют его поставить в топ 7 работающих на сегодня в мире установок. Конкретнее,  однозначно круче выглядят европейский JET, полностью сверхпроводящий корейский KSTAR, примерно аналогичная китайская машина EAST, и пущенный в ноябре 2016 обновленный Tore Supra, который теперь называется WEST.



Однако Т-15МД вполне можно будет поставить в один ряд с такими машинами, как  американские D-IIID и NSTX, немецкий ASDEX-U и  английский MAST, т.е. Т-15МД получается примерно как топовые национальные машины, введенные в строй до 2000 года.


Еще лучше позиция Т-15МД среди сферических токамаков, если все же отнести его к сферическим - третье место.

Важным апгрейдом является появление дивертора в Т-15. Дивертор - это устройство для контролируемого непрерывного “слива” части плазмы, что позволяет с помощью непрерывной рециркуляции поддерживать ее чистоту. Это устройство, обычно выполненное в виде кольца внизу или вверху вакуумной камеры абсолютно необходимо для достижения длительных высокопараметрических режимов горения плазмы, однако оно же и самое уязвимое. В любой ситуации, когда энергия плазмы аварийно высвобождается (при срывах или ELM-неустойчивостях), она идет вдоль линий магнитного поля преимущественно на дивертор, который должен выдерживать чудовищные тепловые нагрузки (до десятков гигаватт на метр квадратный в течении миллисекунд).


Разрез Т-15МД и модель вакуумной камеры. На разрезе отмечен дивертор и сепаратриса - место размыкания линий магнитного поля, через которые "утекает" плазма.

Физика и технология дивертора крайне непроста и местами до сих пор плохо изучена. И именно с приходом Т-15МД у Российских физиков наконец появится возможность полноценно вести исследования взаимодействия плазмы и дивертора.

Учитывая доминирование темы ИТЭР в жизни российских плазмистов, было так же принято решение о конфигурации Т-15МД таким образом, чтобы получить по основным геометрическим и плазменным параметрам ¼ ИТЭР, что позволяет проще обрабатывать сценарии ИТЭР на отечественной машине, в том числе все современные задачи токамачной науки (срывы и МГД-неустойчивости, взаимодействие инжекции нейтралов и плазменных волн, H-моду и ELM-неустойчивости, их подавление, запуск токамака электрон-циклотронным разрядом).

Еще одной важной новинкой для отечественных физиков должны стать режимы неиндуктивного поддержания тока - наряду с дивертором одна из важнейших и горячих тем для мирового токамачного сообщества, в т.ч. Этому может помочь весьма мощный набор систем внешнего нагрева плазмы, доставшийся “в наследство”, включающий 7 мегаватт 112-гигагерцовых гиротронов и 3 инжектора нейтрального пучка изготовления (плюс один новый диагностический инжектор производства ИЯФ). В дальнейшем, если будут позволять финансы, к этому добавится две радиочастотные системы: 6 мегаватт нагрева за счет ион-циклотронного резонанса и 4 мегаватта нижнегибридного (2,45 ГГц) резонанса (частота позволяет собрать эту систему из пары тысяч промышленных микроволновок :)). С другой стороны, медная магнитная система никогда не позволит повторить рекорды EAST, KSTAR или Tore Supra в сотни и тысячу секунд, ее предел 20-30 секунд, после чего достигается максимальная рабочая температура и магнитны нужно отключать.


Отечественный гиротрон (АО "Гиком") во время установки на немецком токамаке ASDEX-U. Похожие будут использованы на Т-15МД.

В целом, медная магнитная система при общей дешевизне имеет несколько серьезных минусов - прежде всего это ограничение на длительность работы (10 секунд на максимальном токе и соответственно, поле) и большую потребляемую мощность (около 250 мегаватт, включая реактивную мощность). Под эту мощность в Курчатовсккий Институт заказал у промышленности активные тиристорные выпрямители и реконструирует подстанции 110/10 кВ. Интересно, что потребовалось совместное с МОЭСК моделирование, чтобы убедится, что набор 300 МВт нагрузки за 5 секунд не обрушит московскую энергетику.


Моделирование напряжения, тока и температуры в тороидальных катушках во время 10-секундного запуска.

Электромагнитная система Т-15МД состоит из 16 тороидальных и 6 полоидальных катушек, 3 секций центрального соленоида и 4 корректирующих катушек. Медно-серебряный проводник тороидальных катушек размером 22,5х32 мм имеет отверстие D10.5 мм для прокачки охлаждающей воды. Для других катушек используются сопоставимые проводники.

Все эти катушки были успешно намотаны в 2014-2015 годах в НИИЭФА и на Брянском предприятии “ГКМП” и собраны в корпусах из нержавеющей стали. В прошлом году, кроме того, была проведена контрольная сборка ЭМС необходимая для выверки взаимного расположения магнитов, заданная физиками как +-1 мм допуска.


"Клетка" из тороидальных магнитов и корректирующие катушки (оранжевые)

Внутри электромагнитной системы будет расположена вакуумная камера из нержавеющей стали сложной вытянутой формы с более чем 100 отверстиями для технологических систем и диагностик. Вакуум обеспечивается 4 турбомолекулярными насосами и 2 криосорбционными помпами. В отличии от сверхпроводящих токамаков, здесь отпадает нужда в втором вакуумированном сосуде (криостате) и криогенных тепловых экранах для теплоизоляции катушек от атмосферы и вакуумной камеры.

Как обычно, в высоковакуумных устройствах, вакуумная камера Т-15МД оборудована греющим проводом для обеспечения дегазации поверхностей.


Вакуумная камера Т-15МД в процессе сборки.

Новый российский токамак будет оборудован лимитерами (диафрагмами, ограничивающими форму плазменного шнура на начальных этапах формирования) и дивертором из углерода, что в общем-то прошлый век (сейчас все токамаки переходят на полнометаллические камеры с бериллием и вольфрамом), но тут уж видимо все упирается в технологически и финансовые возможности - в любом случае, сделать вслед за Tore Supra и JET апргрейд на металлический дивертор и лимитер будет не так сложно, как построить новую машину.


Научное оборудование Т-15МД. Здесь черным показаны траектории зондирующих центральную плазменную часть ионов Титана.

Т-15МД будет оборудован разнообразным научным оборудованием для получения параметров плазмы - прежде всего пятью сотнями датчиков магнитного поля, позволяющими понять магнитогидродинамику плазмы, болометрическими матрицами, получающими карты ИК-излучения плазмы, диагностическим пучком тяжелых ионов, позволяющим измерять распределение потенциала, плотности (и отсюда - турбулентности) плазмы, системой томпсоновского рассеяния на электронах, измеряющей температуру и плотность электронов, диагностическим пучком нейтральных атомов водорода, позволяющим измерять с высоким пространственным разрешением температуру, плотность и скорости ионов, наконец матрицами для приема мягкого рентгеновского излучения.


Последняя запущенная в России термоядерная установка - сферический токамак Глобус-М

Текущие планы по сооружению Т-15МД включают в себя получение на площадке в мае этого года вакуумной камеры и электромагнитной системы, оборудование вспомогательных систем токамака в 2017-2019 с пуском в 2019 году, хотя скорее всего эти планы будут сдвинуты вправо. Впрочем, учитывая, что предыдущий токамак в России  - небольшой сферический Глобус-М в питерском ФТИ был запущен в 1999 году, можно сказать, что это произойдет совсем скоро.