Наука и техника

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
Основные характеристики УНУ Глобус-М

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).