近日，俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院布德克核物理研究所(新西伯利亞)的專(zhuān)家為俄羅斯托卡馬克 Globus-M2 開(kāi)發(fā)了一套等離子體密度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在2024年底的實(shí)驗(yàn)中成功證明了其有效運(yùn)行，相關(guān)工作得到了俄羅斯科學(xué)基金會(huì)的資助。

該控制系統(tǒng)的主要功能是在托卡馬克裝置中監(jiān)測(cè)并維持電離氣體的電子密度在給定值。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)得益于新西伯利亞物理學(xué)家開(kāi)發(fā)的一種色散干涉儀，這是一種罕見(jiàn)的診斷系統(tǒng)，能夠通過(guò)探測(cè)兩個(gè)波長(zhǎng)來(lái)精確測(cè)量等離子體密度。每20微秒，該裝置就能提供關(guān)于等離子體中電子濃度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，INP SB RAS(俄羅斯科學(xué)院西伯利亞物理研究所)的專(zhuān)家為色散干涉儀配備了附加的反饋系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅能夠控制等離子體密度水平，還能對(duì)其進(jìn)行管理，確保在放電持續(xù)時(shí)間內(nèi)不斷維持所需的值。在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)成功地在僅250毫秒的放電時(shí)間內(nèi)將等離子體密度控制在指定水平。

托卡馬克 Globus-M2

俄羅斯科學(xué)院西伯利亞研究物理研究所研究員斯維特拉娜·伊萬(wàn)年科表示：“等離子體密度和溫度是受控聚變實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵參數(shù)。因此，測(cè)量它們的診斷系統(tǒng)也至關(guān)重要。干涉法是測(cè)量等離子體電子密度的可靠工具，但經(jīng)典的干涉儀設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)非常敏感。為了克服這一缺點(diǎn)，我們開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的色散干涉儀，它對(duì)任何類(lèi)型的振動(dòng)都具有最小的敏感度。”

色散干涉儀基于輻射波長(zhǎng)約為10微米的CO2激光，作為托卡馬克標(biāo)準(zhǔn)診斷的一部分已經(jīng)運(yùn)行了三年。在Globus-M2托卡馬克中，它的重要性在于能夠監(jiān)測(cè)線密度，這對(duì)于在相對(duì)較弱的限制磁場(chǎng)中容納高密度等離子體至關(guān)重要。

約菲研究所首席研究員弗拉基米爾·米納耶夫指出：“球形托卡馬克的一個(gè)特殊之處在于其能夠在弱磁場(chǎng)中維持高密度等離子體。以前使用的微波干涉儀在這種條件下表現(xiàn)不佳，而色散干涉儀則表現(xiàn)出色。此外，與湯姆遜散射診斷裝置相比，色散干涉儀在成本、復(fù)雜性和使用便利性方面具有許多競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。”

上面的圖表顯示了沒(méi)有使用 INP SB RAS 控制系統(tǒng)時(shí)等離子體電子密度的變化。下圖顯示的是控制系統(tǒng)如何有效地維持設(shè)定的密度。電子密度值由微波干涉儀、色散干涉儀和湯姆遜散射診斷儀測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，自動(dòng)系統(tǒng)將色散干涉儀測(cè)量的等離子體密度值與操作員設(shè)定的水平進(jìn)行比較，并根據(jù)不匹配誤差產(chǎn)生控制信號(hào)，調(diào)整向托卡馬克室供應(yīng)的氣體，從而改變等離子體密度。

此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和使用具有此功能的診斷技術(shù)具有重要意義，這些技術(shù)可用于磁等離子體約束裝置，如T-15MD托卡馬克(莫斯科，庫(kù)爾恰托夫研究所)和采用反應(yīng)堆技術(shù)設(shè)計(jì)的托卡馬克-TRT。

弗拉基米爾·米納耶夫補(bǔ)充道：“對(duì)于Globus來(lái)說(shuō)，反饋密度控制回路并不是很相關(guān)，但對(duì)于具有長(zhǎng)放電持續(xù)時(shí)間的下一代裝置來(lái)說(shuō)，它將非常重要。未來(lái)，在制造工業(yè)設(shè)備時(shí)，還需要解決從壁面回收的原子等不受控制的原子源問(wèn)題。”