Оптическая диагностика плазмы токамака КТМ

В процессе выполнения данной работы были произведены настройка, калибровка и установка оборудования оптических диагностик на вакуумной камере токамака. Также, с их использованием были проведены измерения параметров водородной плазмы токамака КТМ. Выполнен анализ полученных экспериментальных данных. В результате данной работы был определен примесный состав плазмы токамака КТМ, определены стадия пробоя и окончания разряда, также определены форма и положение плазменного шнура в динамике.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………. 12
1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, СРЕДСТВА ОПТИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ …………………………………………………………………………………………. 15
1.1 КАЗАХСТАНСКИЙ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЙ ТОКАМАК – КТМ … 15
1.2 КОМПЛЕКС ОПТИЧЕСКИХ ДИАГНОСТИК ТОКАМАКА КТМ ………. 17
1.2.1 ОБЗОРНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР …………………………………………… 18
1.2.2 МОНИТОР ИЗЛУЧЕНИЯ ЛИНИЙ ВОДОРОДА…………………………………. 21
1.2.3 СПЕКТРОМЕТР USB2000+ ………………………………………………………………… 25
1.2.4 ЭНДОСКОПИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТОКАМАКА
КТМ 28
1.3 ПОЯС РОГОВСКОГО ………………………………………………………………………… 30
2 ПОДГОТОВКА ОПТИЧЕСКИХ ДИАГНОСТИК К
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ПУСКАМ ТОКАМАКА КТМ …………………………… 32
2.1 КАЛИБРОВКА ОБЗОРНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА …………….. 32
2.2 КАЛИБРОВКА МОНИТОРА ИЗЛУЧЕНИЯ ЛИНИЙ ВОДОРОДА ……… 36
2.3 НАСТРОЙКА И УСТАНОВКА СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ …………. 40
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ТОКАМАКА КТМ
ОПТИЧЕСКИМИ ДИАГНОСТИКАМИ ………………………………………………………. 42
3.1 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ
ДИАГНОСТИК ТОКАМАКА КТМ ……………………………………………………………… 52
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ…………………………………………………………………….. 53
4.1 ОЦЕНКА КОММЕРЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА И ПЕРСПЕКТИВНОСТИ
ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОЗИЦИИ
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ……………………….. 53
4.1.1 ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЯ ………………………………………………………………………………………. 53
4.1.2 АНАЛИЗ КОНКУРЕНТНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ……………….. 54
4.2 SWOT – АНАЛИЗ ………………………………………………………………………………. 55
4.3 ПЛАНИРОВАНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ………. 57
4.3.1 СТРУКТУРА РАБОТ В РАМКАХ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ …… 57
4.3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРУДОЕМКОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ И
РАЗРАБОТКА ГРАФИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ……………………. 58
4.4 БЮДЖЕТ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ (НТИ) ……. 62
4.4.1 РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНЫХ ЗАТРАТ НТИ ……………………………………….. 62
4.4.2 СПЕЦИАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАУЧНЫХ РАБОТ…………… 63
4.4.3 ОСНОВНАЯ ЗАРАБОТНАЯ ПЛАТА ИСПОЛНИТЕЛЕЙ ПРОЕКТА ….. 64
4.4.4 ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЗАРАБОТНАЯ ПЛАТА НАУЧНО-
ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПЕРСОНАЛА …………………………………………………….. 66
4.4.5 ОТЧИСЛЕНИЯ ВО ВНЕБЮДЖЕТНЫЕ ФОНДЫ ………………………………. 67
4.4.6 НАКЛАДНЫЕ РАСХОДЫ …………………………………………………………………. 67
4.4.7 ФОРМИРОВАНИЕ БЮДЖЕТА ЗАТРАТ НАУЧНО-
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ПРОЕКТА ……………………………………………………….. 68
4.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСНОЙ (РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ),
ФИНАНСОВОЙ, БЮДЖЕТНОЙ, СОЦИАЛЬНОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ……………………………………………………… 68
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» ………………………. 70
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ……………………………………………………. 72
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………. 72
5.1 ПРАВОВЫЕ И ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ ……………………………………………………………………………………….. 73
5.1.1 СПЕЦИАЛЬНЫЕ (ХАРАКТЕРНЫЕ ДЛЯ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ
ИССЛЕДОВАТЕЛЯ) ПРАВОВЫЕ НОРМЫ ТРУДОВОГО
ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВА ……………………………………………………………………………… 73
5.1.2 ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ КОМПОНОВКЕ
РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ ………………………………………………………… 74
5.2 ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ СОЦИАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ …………….. 76
5.2.1 АНАЛИЗ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ФАКТОРОВ ………………………………………………………………………………………………… 76
5.2.2 ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ УРОВНЕЙ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ НА
ИССЛЕДОВАТЕЛЯ …………………………………………………………………………………….. 77
5.3 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ………………………………………………. 77
5.4 БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ ……………………… 77
5.4.1 ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ ………………………………………………………………. 78
5.4.2 ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ …………………………………………………………. 81
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» ……………. 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 85
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………. 87
Приложение А………………………………………………………………………88

В рамках выполнения дипломной работы были проведены настройка,
установка и калибровка оптических диагностик, после чего – отработана
методика измерения параметров водородной плазмы токамака КТМ
оптическими диагностиками.

В ходе экспериментальной кампании 2020 года по получению
плазменного разряда на токамаке КТМ были проведены измерения спектров
излучения плазмы в видимой области (380-700 нм) с помощью спектрометра
USB2000+, которые показали, что в плазме токамака КТМ кроме наличия
линий рабочего газа (Hα 656,3 нм, Hβ 486,1 нм, Hγ 434,1 нм), также
присутствовали линии легких примесей (C, O, N) в разных ионизационных
состояниях. Такой состав плазмы следует связать со следующими процессами:

1. Относительно яркие линии углерода при создании и поддержании
разряда обусловлены распылением графитовых тайлов внутренней стенки
вакуумной камеры токамака КТМ (около 80% от всей её площади).

2. Наличие азота и кислорода в плазменном разряде, говорит о
недостаточном предварительном разряжении и очистке вакуумной камеры
токамака КТМ, возможно наличие небольших натеканий в рабочую камеру.
Присутствие данных элементов в плазме, вероятно, значительно повлияло на
параметры полученного разряда.

По данным с монитора излучения линий водорода хорошо определяются
стадии пробоя и окончания разряда, зарегистрированное время которых хорошо
коррелируется с данными с других диагностик. По измерениям с системы
видеонаблюдения определена форма и положение плазменного шнура в
динамике.

В результате отработки методики оптических диагностик плазмы
токамака КТМ был выявлен ряд технических недостатков, таких как: низкое
спектральное разрешение (около 5 нм) и большое временное разрешение (35
мс), которые недостаточны для более точного измерения параметров плазмы. В
соответствии с этим были подготовлены технические предложения по
модернизации оптических диагностик.

Данная работа выполнена в рамках тем «Исследование процесса
формирования плазменного шнура токамака КТМ в режиме омического
нагрева», «Определение параметров плазмы с использованием физических
диагностик и расчетных методов» мероприятия «Научно-техническое
обеспечение экспериментальных исследований на казахстанском
материаловедческом токамаке КТМ».

1. P.H. Rebut, the ITER Joint Central Team and Home Teams. ITER: the first
experimental fusion reactor. Fusion Engineering and Design. – Volume 27, 1 March
1995, Pages 3-16
2. Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. /
Ковальский Н.Г. // М.: МИФИ, 1997.
3. М.И. Пергамента. Диагностика плазмы: Сборник // Т.1 – 7. М.: Атомиздат,
1981.
4. С. Ю. Лукьянова. Диагностика термоядерной плазмы: Сборник / М.:
Энергоатомиздат, 1985.
5. В.И. Давыденко. Экспериментальные методы диагностики плазмы. / А.А.
Иванов, Г. Вайсен. // Новосибирск, 1999
6. В.А. Азизов. Управление потоками плазмы в диверторную область и
флуктуация температуры приемных пластин токамака КТМ. / А.Д. Баркалов,
Г.Г. Гладуш. // М.: ГЦН РФ ТРИНИТИ; Троицк: Минатом РФ, 2003
7. Казахстанский материаловедческий токамак КТМ: эскизный проект: книга
1. – Москва; Санкт-Петербург, 2000.
8. Visible wide angle view imaging system of KTM tokamak based on multielement
image fiber bundle / B. Chektybayev, G. Shapovalov, A. Kolodeshnikov // Review of
Scientific Instruments.– May 2015.– Vol. 86, Issue 5.– doi: 10.1063/1.4921475.
9. ИсточникизлученияCAL2000//руководствопоэксплуатации.
https://oceanoptics.com/wpcontent/uploads/cal2000.pdf
10. Б.Ж. Чектыбаев, Э.Г. Батырбеков, М.К. Скаков. Способ термографических
измерений кандидатных материалов первой стенки термоядерных реакторов на
токамакеКТМ//Сборниктезисовдокладов46-йМеждународной
Звенигородскойконференциипофизикеплазмыиуправляемому
термоядерному синтезу, 18-22 марта 2019 г., г. Звенигород, РФ.–С.308 (320)
11. ИнтернетсайткомпанииSCHOTTInc.:
www.schott.com/lightingimaging/english/defenseproducts/imaging/wound.html.
12. Интернет сайт компании Edmund optics: www.edmundoptics.com.
13. Интернет сайт компании ОАО «Катод»: www.katodnv.com/ru/catalog.
14. Шумайлова О.Н., Колокольцов М.В., Кретинин А.А., Макаров Д.А.,
Садыков А.Д., Шипилов Д.В., Программное обеспечение обработки данных
физических диагностик установки КТМ. – Вестник НЯЦ РК, №2, 2011, с. 98-
102
15. Чектыбаев Б.Ж., Садыков А.Д., Батырбеков Э.Г., Скаков М.К., Кашикбаев
Е.А., Жаксыбаева А.А. Результаты экспериментов по получению плазменного
разряда на токамаке КТМ // Вестник НЯЦ РК.– 2019.– Выпуск 1 (77).– С. 60-65
16. Экспериментальные результаты измерения электронной плотности плазмы
на токамаке КТМ / Е.А. Кашикбаев, Б.Ж. Чектыбаев, А.Д. Садыков, С.А.
Жүнісбек // Вестник НЯЦ РК.– 2019.– Вып. 3 (79).– С. 40-45.
17. An efficient technique for magnetic analysis of noncircular, high-beta tokamak
equilibria / D.W. Swain, G.H. Neilson // Nuclear Fusion.– 1982.– Vol. 22, No. 8.–
Pp. 1015-1030
18. А.В. Горбунов, Л.А. Ключников, К.В. Коробов «Спектр излучения плазмы
токамака Т-10 в видимом диапазоне». ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2015,
т.38, вып.2
19. The Spectroscopic Systems for the Study of Light Impurity Particle Transport in
the HT-7 Tokamak
20. А.Н. Зейдель, В.К. Прокофьев, С.М. Райский, В.А. Славный, Е.Я. Шрейдер
«Таблица спектральных линий». – Москва, 1977 г.
21. А.Р.Стриганов,Н.С.Свинтицкий«Таблицыспектральныхлиний
нейтральных и ионизованных атомов». – Москва, 1966.
22. ГОСТ 12.1.013-78 Система стандартов безопасности труда. Строительство.
Электробезопасность.Предельнодопустимыезначениянапряжений
прикосновения и токов (Ст РК 12.1.013-2002; СНиП 12-03-99).
23. Закон РК «О пожарной безопасности» от 22 ноября 1996 года № 48-1.