Моделирование условий пробоя плазмы в токамаке ITER

Токамаки представляют из себя сложные электрофизические устройства, в которых
существует большое количество конструктивных особенностей. Отличительная особен-
ность их в том, что они состоят из большого количества контуров, связанных между собой
индуктивно, т.е. из катушек с собственным источнимо питания (активных обмоток) и кату-
шек без наличия такового источника (пассивные обмотки, сама вакуумная камера). Стоит
отметить, что в таких контурах, токи протекающие в них, имеют прямую зависимость не
только от источника питания (если такой имеется), но также и от потока магнитного поля,
сцепленного с ними, т.е. от токов в соседствующих контурах.
Cоздаваемые контурами потоки играют определяющую роль для положения плаз-
менного шнура. Так же они играют большую роль в электромагнитной диагностике уста-
новки в целом. Из этого обстоятельства следует, что умение предсказывать эволюцию маг-
нитных потоков, создаваемых полоидальными контурами системы, является ключевым мо-
ментов при корректировке полученных экспериментальных данных.
По этой причине, наряду с конструктивными особенностями токамака, необходимо
учитывать и сценарий каждого отдельного разряда. Стоит отметить, что моделирование
динамики токов в полоидальных контурах токамака, есть также необходимое условие при
расчете программного управления разрядом.
Работу токамака можно разделить на четыре основных режима работы, а именно
на подготовку условий для пробоя, сам пробой, начальный подъем тока плазмы, обеспече-
ние равновесия и устойчивости плазменного шнура. И в зависимости от режима работы,
модели динамики токов установки будут отличаться друг от друга.
Все ведущие международные термоядерные исследования в области управляемого
термоядерного синтеза (УТС), в настоящее время, так или иначе связаны с международ-
ным проектом ITER. Целью которого является демонстрация технической и научной воз-
можностей выработки термоядерной энергии в мирных целях. ITER будет первым в мире
токамаком, способным вырабатывать тепловую энергию в промышленных масшатабах. По
информации с официального сайта установка должна заработать и получить первую плазму
к 2025 году. Проект ITER вобрал в себя многие научные и технические решения, получен-
ные в других, пусть и менее масштабных, но от того не менее значимых установках, к тому
же уже действующих. Особый интерес представляет сферический экспериментальный то-
камак Глобус-М, расположенный в ФТИ им. А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербруг)[1-3]. На нем
удалось добиться интересных результатов в области получения, удержания и исследования
высокотемпературной плазмы, т.к. физика сферических токамаков очень близка к физике
связанной с ITER. Также исследования проводятся и на других установках, в частности
стоит упомянуть программу экспериментов на малых токамаках [4-7].
В данной работе будет рассмотрена физико-математическая модель динамики по-
лоидальных токов в камере токамака ITER в начальной стадии развития разряда [8-10].
Проблемы связанные с положением, формой и удержанием плазмы на следующих стадиях
разряда подробно рассмотрены в работах [11-15]. К начальной стадии развития относятся
два этапа. А именно, подготовка условий для пробоя плазмы (достижение низкого уровня
рассеянных магнитных полей в контрольных точках и требуемого напряжения на обходе
в центре области пробоя) и начальный подъем тока плазмы по заданному сценарию. Сто-
ит добавить, что рассмотренная здесь физико-математическая модель будет реализована
в виде отдельного ПО, позволяющего моделировать и визуализировать поведение токов в
электромагнитной системе токамака ITER, а также анализировать все полученные при мо-
делировании данные на предмет выполнения всех заданных технологических ограничений
и физических требований [16].
Режим подготовки пробоя плазмы в токамаке ITER включает в себя процесс предва-
рительного поднятия тока в катушках до определенных значений, длящийся примерно 300
сек. Затем следует пауза, длящаяся ориентировочно 3-4 сек, когда токи в катушках оста-
ются постоянными, что обеспечивает затухание токов по камере. Считается, что катушки
считаются охлажденными до рабочей температуры до начала работы установки.
При моделировании динамики токов учитываются геометрические и физические
параметры вакуумной камеры и электромагнитной системы токамака ITER, включающей
в себя активные и пассивные сверхпроводящие полоидальные катушки, расположенные
снаружи вакуумной камеры [8,9].
Постановка задачи