Группа исследователей из Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», МФТИ и МИФИ разработала улучшенную концепцию оптоволоконного датчика для измерения тока плазмы в токамаке Т-15МД. Новая схема, использующая тонкие физические эффекты и сочетание методик обработки экспериментальных данных, заимствованных из различных областей физики, позволяет устранить недостатки существующих способов измерения токов и открывает возможности для создания надежной системы контроля и управления плазмой в термоядерных реакторах будущего. О результатах исследования сообщается в научных журналах Вопросы атомной науки и техники: Серия «Термоядерный синтез» и Physics of Atomic Nuclei.
Главным действующим лицом в любой термоядерной установке является плазма — ионизированный газ, нагретый до нескольких кэВ (сотен миллионов градусов!). Удержание этой чрезвычайно горячей субстанции в пределах вакуумной камеры обеспечивается внешними магнитными полями. Одним из важнейших параметров, определяющих стабильность и эффективность всей установки типа «токамак» (тороидальной камеры с магнитными катушками), является величина тока, проходящего через плазму. Этот ток, достигающий нескольких мегаампер, не только дополнительно нагревает плазму, но и формирует магнитную конфигурацию, эффективно удерживающую горячие ионы в заданной области пространства. Точный и непрерывный контроль (‘real-time’) за его величиной является основополагающим фактором для эффективной и надежной эксплуатации токамака-реактора. Небольшие отклонения могут повлечь за собой потерю устойчивости плазмы и срыв разряда. На протяжении многих лет для решения этой задачи применялись стандартные электротехнические методы: пояс Роговского, работающий по принципу электромагнитной индукции, и датчики Холла. Однако с развитием технологий и переходом к установкам, способным функционировать в длительных, квазистационарных режимах — именно таких, какие потребуются для будущих термоядерных электростанций — недостатки этих классических подходов становятся все более заметными. Индуктивные датчики не измеряют сам ток, а лишь его производную, что требует последующего интегрирования сигнала. В условиях сильных радиационных нагрузок и длительных импульсов это неизбежно приводит к накоплению ошибки и «дрейфу» — искажению показаний. Кроме того, они измеряют ток, протекающий только внутри их контура, и не учитывают внешние токи и магнитные поля. Датчики Холла, в свою очередь, измеряют магнитное поле непосредственно и локально, но они очень чувствительны к посторонним полям от других систем токамака, что усложняет выделение полезного сигнала. Перед учеными, работающими над созданием демонстрационного токамака-реактора, возникла необходимость в разработке диагностических систем, основанных на совершенно иных физических принципах, свободных от этих недостатков. Значительный прогресс в решении этой задачи был достигнут коллективом российских физиков, предложивших усовершенствованную концепцию оптоволоконного датчика тока (ОДТ) для токамака Т-15МД. Токамак Т-15МД – ведущая российская термоядерная установка, находящаяся в Научном центре «Курчатовский институт». С одной стороны, она представляет собой площадку, где применяются знания, накопленные странами-участницами в процессе реализации международного проекта ИТЭР, в свою очередь, на ней предполагается апробирование технологий, которые будут использоваться в будущих термоядерных установках, генерирующих нейтроны.
Работа оптического датчика тока (ОДТ) основана на магнитооптическом эффекте Фарадея – явлении, заключающемся в повороте плоскости поляризации света, проходящего через среду, под воздействием внешнего магнитного поля. В магнитном поле происходит расщепление линий поглощения в веществе (обратный эффект Зеемана), что обуславливает разницу в коэффициенте преломления для левой и правой круговых поляризаций излучения. Обернув магнитооптическое волокно вокруг плазменного шнура, магнитное поле, создаваемое током плазмы, вызывает поворот плоскости поляризации света внутри волокна за счет различной скорости распространения его компонент, при этом угол поворота прямо пропорционален величине тока плазмы. Данный метод позволяет осуществлять измерение тока непосредственно, исключая необходимость интегрирования, а само оптическое волокно, являясь диэлектриком, полностью невосприимчиво к электромагнитным помехам и не нуждается в гальванической развязке от измерительной системы. Следовательно, виток магниточувствительного оптического волокна вокруг плазмы сочетает в себе преимущества традиционных методов, таких как пояс Роговского и датчик Холла.
Сотрудники Курчатовского института, МФТИ и МИФИ не только предложили использовать известный эффект, но и разработали усовершенствованную и более надежную схему его применения. На основе анализа мирового опыта использования дилатометрической компенсации на передовых токамаках, включая JET (Европа), EAST (Китай) и WEST (ранее известном как Tore-Supra, Франция), была создана концепция двухпроходной отражательной системы, функционирующей по принципу интерферометрии – зондирования на промежуточной частоте.
Существенным нововведением является то, что в рассматриваемой схеме лазерный луч, обладающий круговой, а не плоской поляризацией, сначала проходит через специализированное устройство – акустооптический модулятор, где он разделяется на два когерентных пучка. Один из них, опорный, второй, измерительный, луч, отправляется в путешествие по оптоволокну, расположенному внутри вакуумной камеры токамака и опоясывающего плазму. После прохождения по контуру луч отражается от специального фарадеевского зеркала, где изменяет направление своего вращения, и возвращается по тому же пути. Такой двойной проход усиливает полезный эффект поворота поляризации, но, что более существенно, компенсирует нежелательные эффекты, вызванные механическими колебаниями и напряжениями в волокне, которые искажают измерения. На выходе измерительный луч объединяется с опорным. При этом появляется возможность отказаться от вычисления угла поворота плоскости поляризации луча на основе интенсивности, регистрируемой детектором, и измерять разность фаз между опорным и детектированным лучами. Эта разность фаз напрямую и с высокой точностью связана с углом поворота Фарадея, а следовательно, и с током плазмы. Такой переход от измерения амплитуды к измерению разности фаз на промежуточной частоте значительно расширяет диапазон измерений, повышает их помехоустойчивость и точность всей системы.
Георгий Саранча, по словам сотрудника, являющегося ассистентом кафедры физики и химии плазмы МФТИ и младшим научным сотрудником НИЦ «Курчатовский институт: «Оптоволоконный датчик представляет собой высокоточную оптическую систему для измерения электрического тока. Он рассматривается как наиболее перспективный инструмент для измерения тока плазмы в токамаке, поскольку обладает значительными преимуществами по сравнению с электромагнитными аналогами, такими как пояс Роговского и датчик Холла. Однако различные методы регистрации измеряемого параметра – угла Фарадея, обычно применяемые в оптоволоконных датчиках, вс е же обладают недостатками, которые мы предлагаем решить, перейдя, подобно интерферометрическим диагностикам, к измерению на промежуточной частоте».
Ожидается, что разработанная концепция обеспечит возможность проведения измерений во всем диапазоне токов плазмы токамака Т-15МД, до 2 мегаампер, с погрешностью не превышающей 0,5 килоампера и с разрешением во времени около 100 микросекунд. Такой уровень точности и скорости достаточен не только для поддержания стабильности плазмы, но и для изучения быстрых явлений, например, развития неустойчивостей и прекращения разряда. Проведенное моделирование демонстрирует, что, принимая во внимание все известные источники погрешностей, регистрируемый сигнал будет соответствовать фактическому току плазмы с незначительным отклонением, что обусловлено использованием высокоточной методики измерения разности фаз двух высокочастотных сигналов.
Особенность разработки заключается в комплексном подходе, который сочетает в себе детальный анализ международного опыта и представление новой измерительной системы, разработанной с учетом специфики установки Т-15МД и отвечающей требованиям будущих термоядерных реакторов. Перенос измерений из области поляриметрии в сферу известных методов интерферометрии представляет собой значительный прогресс по сравнению с оптоволоконными датчиками, ранее использовавшимися на других установках. Данный метод позволит укрепить позиции диагностики на основе оптических датчиков как основного инструмента для измерений в токамаках-реакторах, где надежность и точность будут иметь первостепенное значение для безопасности и эффективности установки, включая коммерческую. В дальнейшем команда исследователей планирует разработать и провести стендовые испытания прототипа устройства, после чего оно может быть установлено непосредственно на токамаке Т-15МД для проверки концепции в условиях реального эксперимента.
Научная статья: Саранча Г. А. и соавторы. Концепция оптоволоконного датчика тока, предназначенного для токамака Т-15МД. «ВАНТ: Серия «Термоядерный синтез» 47 (1), стр. 25-35 (2024). doi: 10.21517/0202-3822-2024-47-3-25-35.
Sarancha, G.A., Drozd, A.S., Kudashev, M.S. et al. Концепция датчика тока на основе оптоволокна для токамака T-15MD. Phys. Atom. Nuclei 88 (Suppl 1), S21–S28 (2025). https://doi.org/10.1134/S1063778825130101