Разработка расчетно-экспериментальной модели плазмы-мишени прототипа компактного термоядерного источника нейтронов

Целью проекта является развитие расчетно-экспериментальной модели плазмы-мишени прототипа компактного термоядерного источника нейтронов (ТИН) на основе экспериментального исследования на токамаке Глобус-М2 а также доступных данных установок MAST, NSTX и START. Источник высокоэнергичных нейтронов (E=14.1 МэВ) с мощностью нейтронного выхода 1 МВт может быть реализован на базе токамака с малым аспектным отношением (сферического токамака), работающего по схеме «пучок плюс плазма». В таком источнике нейтронов реакция синтеза будет происходить между высокоэнергичными ионами, образовавшимися в плазме вследствие ионизации инжектируемых атомов, с тепловыми ионами плазмы. Основными параметрами, определяющими нейтронный выход ТИН, являются: электронная температура, плотность тепловых ионов плазмы и ионов с высокой энергией. Эффективность работы источника нейтронов по схеме пучок + плазма в основном зависит от электронной температуры и концентрации тепловых ионов. Увеличение электронной температуры приводит к снижению столкновительности плазмы, поэтому рабочая область компактного источника нейтронов соответствует плазме с низкой столкновительностью. Столкновительность является одним из важнейших параметров, определяющим уровень аномального переноса поперек магнитного поля в тороидальных ловушках. Для получения низкой столкновительности в сферическом токамаке необходимо поднимать тороидальное магнитное поле, что позволит увеличить ток плазмы, время удержания энергии и эффективность дополнительного нагрева. Заявка предполагает проведение исследований, необходимых для дополнения, расширения и обобщения результатов, полученных в рамках основного срока реализации проекта. На токамаке Глобус-М2 впервые в мире было получено экспериментальное подтверждение скейлинга, предполагающего сильную зависимость времени удержания энергии от магнитного поля для сферического токамака при тороидальном магнитном поле 0,7 Тл. Предлагается уточнить, насколько достоверна дальнейшая экстраполяция полученной эмпирической зависимости в область больших значений тороидального магнитного поля, а также каким образом влияет увеличение плотности вводимой мощности инжектируемого пучка на термоизоляцию плазмы. Скейлинги для времени удержания энергии, учитывающие зависимость времени удержания энергии от размеров установки с малым аспектным отношением, на данный момент так же отсутствуют. Зависимость нормализованного времени удержания энергии от столкновительности плазмы при повышении тороидального магнитного поля в токамаке Глобус-М2 представляет значительный интерес. В рамках проекта так же предлагается провести работы по модернизации диагностики томсонового рассеяния, необходимой для измерения динамики пространственного распределения температуры и концентрации электронов в плазменном шнуре. Полученные экспериментальные данные необходимы для анализа термоизоляции плазмы и расчета коэффициентов переноса в электронном канале. Полученный результат позволит существенно улучшить понимание физических процессов нагрева плазмы в сферических токамаках при высоких значения тороидального магнитного поля и уточнить модель для расчета параметров компактного источника нейтронов, что в свою очередь значительно ускорит разработку и внедрение гибридных ядерных систем, работающих по принципу «синтез-деление». Актуальность проекта хорошо подчеркивается активностью мировых конкурентов: первая кампания на установке MASTU (Великобритания) стартует летом 2020 года [B. Lloyd et. al., MAST Upgrade - features and status, 20 INTERNATIONAL SPHERICAL TORUS WORKSHOP October 28-31, 2019, ENEA, Frascati, Italy]. Установка NSTX-U (США) после первых многообещающих экспериментов [J.E. Menard et al Overview of NSTX Upgrade initial results and modelling highlights, 2017 Nucl. Fusion 57 102006] была закрыта в связи с аварией на ремонт с плановым запуском в 2022 [S. Kaye, NSTX-U: Recent Results and Plans, 20 INTERNATIONAL SPHERICAL TORUS WORKSHOP October 28-31, 2019, ENEA, Frascati, Italy]. Эксперименты по дополнительному нагреву на токамаке ST-40 (Великобритания) запланированы на 2020 г. [M. Gryaznevich. Faster Fusion: ST40, engineering, commissioning, first 20 INTERNATIONAL SPHERICAL TORUS WORKSHOP October 28-31, 2019, ENEA, Frascati, Italy]. В конце 2019 г. правительство Великобритании объявило о финансировании национальной программы «STEP», целью которой является создание компактного термоядерного реактора, основанного на сферическом токамаке к 2040 г. [https://ccfe.ukaea.uk/research/step/]. 16 апреля 2020 года Президентом Российской Федерации был подписан указ о развитии техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации, включающий в себя развитие и разработку технологий управляемого термоядерного синтеза. Последние два факта особенно подчеркивают актуальность реализации экспериментального проекта, посвященного нагреву плазмы на сферическом токамаке.