Введение к работе
Актуальность работы.
Выдающиеся успехи, достигнутые в последнее время в экспериментах по нагреву и удержанию высокотемпературной плазмы в магнитных ловушках типа токамак, сделали их реальными претендентами на роль термоядерного реактора. Особенностями такого научно-технического устройства является его исключительная сложность и высокая стоимость, для создания и реализации которого необходимо наличие многофункционального комплекса моделей, направленного как на прогнозирование параметров создаваемого устройства и на возможность управления ими, так и на расчетно-теоретическое сопровождение процессов, наблюдаемых в существующих экспериментах. Расчетно-теоретические исследования в области проектирования будущих термоядерных установок на основе токамака поставили на повестку дня необходимость решения таких ключевых проблем, как:
-
Разработка программных сценариев для различных фаз развития разряда.
-
Управление магнитной конфигурацией и током плазмы.
-
Восстановление конфигурации плазмы в реальном времени разряда для работы системы магнитного управления.
-
"Кинетическое" управление параметрами плазмы.
-
Исследование физики пристеночной плазмы.
-
Исследование эволюции плазмы в процессе неуправляемого ее движения.
Развитие тестированных в экспериментах плазмофизических моделей для решения этих проблем и для исследования эволюции плазмы современного токамака, а также создание кодов, интегрированных в общую систему плазмофизических кодов актуально в связи с практической реализацией как международного проекта экспериментального термоядерного токамака-реактора ИТЭР, так и российских проектов токамаков КТМ и JUST-T.
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание интегрированного в Общую международную систему кодов уникального плазмофизического программного комплекса ДИНА, применение его в экспериментах на ведущих токамаках мира и использование для проектирования новых токамаков как с индуктивным, так и безиндуктивным поддержанием тока, а также токамаков с ферромагнитным сердечником.
Связь с государственными планами НИОКР:
Диссертационная работа выполнена по плану проводимых в ТРИНИТИ научно-технических работ в соответствии с Координационным планом по Государственной научно-технической программе "УТС и плазменные процессы", а также в соответствии с Федеральной целевой программой "Международный термоядерный реактор ИТЭР" на 2002-2005 гг. (Постановление Правительства РФ № 604 от 21.08.2001), Федеральной целевой научно-технической программой "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку" на 1999-2001 гг. (Постановление Правительства РФ № 1417 от 01.12.1998) и Федеральной целевой программой "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку" на 1996-1998 гг. (Постановление Правительства РФ № 1119 от 19.09.1996).
Научная новизна:
1. Впервые создан универсальный программно-вычислительный комплекс ДИНА для предсказательного и восстановительного анализа эволюции равновесия плазмы токамака со свободной границей во внешних магнитных полях совместно с транспортом энергии, частиц, полоидального потока и токами в камере и обмотках полоидального поля. Комплекс прошел систематическое тестирование на ведущих токамаках мира - DIII-D (США), NSTX(CIIIA), JT-60U (Япония), TCV
(Швейцария), MAST (Англия), ASDEX-U (Германия), GLOBUS-M (Россия).
Разработана новая полуторамерная плазмофизическая модель токамака (транспортная версия кода ДИНА) с фиксированной границей плазмы, в которой для расчета равновесия используется метод обращения переменных (коды POLAR и SPIDER). Эта модель по полноте описываемых физических процессов в плазме не уступает аналогичным отечественным и зарубежным кодам (ASTRA, CRONOS, JETTO, TRANSP), а по точности расчета уравнений равновесия и диффузии магнитного поля превосходит их.
Впервые создана 2-х мерная модель пробоя плазмы в токамаке, в которой решаются уравнения равновесия с учетом токов, текущих по разомкнутым силовым линиям совместно с нестационарными уравнениями баланса энергии, частиц, диффузии магнитного поля и уравнениями электрических цепей для токов в пассивной структуре и обмотках магнитного поля.
Впервые в мире в рамках комплекса ДИНА создана интегрированная в
систему МАТЛАБ эволюционная модель плазмы, которая включается
как объект управления в реальную систему управления плазменным
шнуром токамака. Такая модель дает возможность использовать ее как
инструмент для разработки и тестирования систем поддержания
равновесия плазменного шнура и для предсказательного
моделирования эксперимента с учетом реальной системы управления токамака.
Впервые разработан численный код по восстановлению равновесия и профилей давления и плотности тока плазмы по магнитным и кинетическим измерениям с использованием методов решения уравнения Грэда-Шафранова для равновесия плазмы на «адаптивной» сетке (код SPIDER).
-
Впервые проведено концептуальное исследование сценариев ввода тока, выхода на стационар и поддержание плато тока в токамаке JUST-T, используемого в качестве объемного источника нейтронов для трансмутации минорных актинидов.
-
Впервые создана эволюционная модель (в рамках вычислительного комплекса ДИНА) для плазмы токамака с железным сердечником. Созданная модель будет использована для проектирования Т-15М.
-
Создана новая плазмофизическая модель пристеночной плазмы и дивертора (код SOL-DINA) в которой решается система 2-мерных нестационарных уравнений для основных компонент плазмы согласованно с уравнениями для ионов примесей и нейтралов. Созданная модель тестировалась с кодом UEDGE - США. Она является аналогом зарубежных кодов (B2-EIRENE, UEDGE), но существенно превосходит их по скорости счета.
-
Предложена оригинальная методика создания сценариев эволюции токов в обмотках полоидального поля, позволяющая самосогласованно моделировать разряд в токамаке.
Практическое значение работы:
-
Сценарии эволюции плазмы ИТЭР, выполненные с использованием программного комплекса ДИНА, включены в проектную документацию ИТЭР в разделах "Plasma Operation Scenario and Control" и "Plasma Disruptions".
-
Модели Simulink плазмы токамака позволили реализовать симуляторы сценариев разряда с использованием реальных моделей управления и диагностики как для существующих токамаков DIII-D, TCV, MAST, ASDEX-U, GLOBUS-M, так и проектируемых токамаков ИТЭР, КТМ и JUST-T.
-
С использованием результатов расчетов получена диверторная конфигурация на токамаке Т-ЗМ, выбраны параметры и установлены витки пассивной стабилизации на токамаке ТСП.
-
В результате моделирования экспериментов на токамаке NSTX и расчетно-теоретического исследования процессов пробоя и ввода тока в сферические токамаки сделан практический вывод о необходимости установления центрального индуктора в реакторах на основе сферического токамака.
Положения, выносимые на защиту:
-
Плазмофизическая модель токамака и программно-вычислительный комплекс (код ДИНА) для моделирования эволюции равновесия плазмы токамака со свободной границей. Результаты работ по систематическому тестированию программного комплекса ДИНА на ведущих токамаках мира - DIII-D, JT-60U, TCV, MAST, NSTX, ASDEX-U, GLOBUS-M.
-
Плазмофизическая модель пробоя плазмы в токамаке.
-
Эволюционная модель (в рамках вычислительного комплекса ДИНА) плазмы токамака с железным сердечником.
-
Код SOL-DINA, являющийся российским аналогом зарубежных кодов для изучения плазменных процессов в диверторе токамака.
-
Интегрированная в систему МАТЛАБ версия программного комплекса ДИНА, включающая систему управления плазменным шнуром в токамаке. Результаты сравнения моделирования с данными экспериментов. Результаты использования модели Simulink для задач магнитного управления в токамаках DIII-D, TCV, ИТЭР, MAST, КТМ, GLOBUS-M, ASDEX-U.
-
Результаты сравнительного анализа параметров плазмы с использованием линейной и нелинейной моделей в различные моменты сценария разряда в токамаке ИТЭР.
-
Методика построения сценария токов в обмотках полоидального поля для реализации эволюции разряда в токамаках на начальной его стадии.
-
Результаты комплексного исследования и оптимизации сценариев разряда в проектируемых установках КТМ и ИТЭР, результаты моделирования процесса управления формой и положением плазменного шнура в проектируемых установках (КТМ, Т-15М, ИТЭР).
-
Результаты систематического анализа режимов работы токамака JUST-T.
Достоверность результатов.
Достоверность и обоснованность результатов исследований базируется на тестировании результатов предсказательного и восстановительного моделирования эволюции плазмы с результатами экспериментов на токамаках DIII-D, NSTX, TCV, JT-60U, MAST, ASDEX-U, GLOBUS-M. Достоверность численных кодов, используемых автором, проверялась также путем тестирования моделей с помощью альтернативных кодов - ASTRA, PET, TSC, CORSICA, MAXFEA на решениях, полученных другими авторами.
Апробация.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах в ТРИНИТИ, Институте ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт", на семинарах Центра исследований по физике плазмы (Лозанна, Швейцария), Центра физических исследование Дженерал Атомикс (Сан Диего, США), Лаборатории физики плазмы Принстонского университета (Принстон, США), Национальной лаборатории Каллэм (Англия), Национального института по атомной энергии JAERI (Нака, Япония), на конференциях по физике плазмы в г. Звенигород, а также на Международных научных конференциях, симпозиумах и совещаниях: Международные симпозиумы по технологии термоядерного синтеза (SOFT-20, г. Марсель, Франция, 1998; SOFT-21, г. Мадрид, Испания, 2000; SOFT-22, г. Хельсинки, Финляндия, 2002), 6-ое Международное техническое совещание МАГАТЭ по проблеме быстрых
частиц и системам с магнитным удержанием плазмы, г. Нака, Япония, 1999, Международные конференции европейского физического общества по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (EPS-28, г. Мадейра, Португалия, 2001; EPS-29, г. Монтрё, Швейцария, 2002; EPS-30, г. Санкт-Петербург, Россия, 2003; EPS-31, г. Лондон, Англия, 2004; EPS-32, г. Тарагона, Испания, 2005; EPS-33, г. Рим, Италия, 2006; EPS-34, г. Варшава, Польша, 2007; EPS-35, Крит, Греция, 2008; EPS-36, г. София, Болгария, 2009), Международные конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии (FEC-17, г. Иокогама, Япония, 1998; FEC-18, г. Соренто, Италия, 2000, FEC-20, г. Виламура, Португалия, 2004; FEC-21, г. Ченду, Китай, 2006; FEC-22, г. Женева, Швейцария), Международные конференции американского физического общества по физике плазмы (APS-34, г. Сиэтл, США, 1992; APS-35, г. Сан-Люис, США, 1993; APS-36, г. Минеаполис, США, 1994; APS-37, г. Луисвилл, США, 1995), 9-я Международная конференция по применению систем управления (IEEE Control Applications, г. Анкоридж, США, 2000), Международные совещания по МГД, управлению и срывам (MHD ITPA Topical Group в 1998-2009 гг.).
Публикации.
По результатам диссертационной работы опубликовано 73 печатные работы, из которых 33 представлены в ведущих отечественных и зарубежных журналах: Физика плазмы; Журнал технической физики; Вопросы атомной науки и техники, серия: Термоядерный синтез; Journal of Computational Physics; Nuclear Fusion; Plasma Devices and Operations; Plasma Physics Controlled Fusion; Fusion Engineering And Design; Journal of Plasma and Fusion Research; Fusion science and technology; Problems of Atomic Science and Technology, а основная часть остальных опубликована в трудах международных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, и пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 305 наименований. Работа содержит 265 страниц, включает 118 рисунков и 11 таблиц.
