Разработка программного комплекса для полностью кинетического моделирования плазменных экспериментов в открытых магнитных ловушках

Название НИОКТР	Разработка программного комплекса для полностью кинетического моделирования плазменных экспериментов в открытых магнитных ловушках
Аннотация	Открытые магнитные ловушки для удержания плазмы рассматриваются сегодня как один из перспективных путей решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. Создание термоядерного реактора должно обеспечить человечество практически неисчерпаемым источником энергии и стать основой чистой энергетики будущего. Интерес к открытым магнитным системам в последние годы связан не только с их относительной простотой, но и со значительным прогрессом, который был достигнут в экспериментах на установке ГДЛ в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Являясь мировым лидером в этом направлении термоядерных исследований, ИЯФ СО РАН сегодня предлагает свой проект термоядерного реактора, прототипом которого должна стать Газодинамическая многопробочная ловушка (ГДМЛ). Успех в достижении реакторных параметров плазмы в этой установке должен обеспечить новый диамагнитный режим удержания плазмы, при котором относительное давление плазмы в процессе мощной нейтральной инжекции достигает предельно высоких значений, а текущие по плазме диамагнитные токи полностью вытесняют из её объёма магнитное поле, обеспечивая тем самым бесконечно большое пробочное отношение. Чтобы продемонстрировать принципиальную работоспособность этого режима на более компактных масштабах, в ИЯФ СО РАН стартовал эксперимент КОТ (Компактный Осесимметричный Тороид). Для правильной интерпретации результатов этого эксперимента, а также для оценки возможности масштабирования его результатов на реакторные параметры ГДМЛ необходимо создать целый комплекс программ для численного моделирования плазмы, который сможет воспроизводить ключевые физические процессы на различных масштабах и с различным уровнем детализации. Такая работа была начата в рамках молодёжного проекта РНФ (21-72-10071) с разработки полунеявной сохраняющей энергию Particle-In-Cell (PIC) модели, в которой удалось сделать важный шаг на пути к полномасштабному описанию плазменных экспериментов, избавившись от необходимости разрешать самые мелкие масштабы в плазме – период плазменных колебаний и дебаевский радиус. Обращение в этой задаче к столь ресурсозатратному PIC методу связано с необходимостью корректного описания кинетики плазмы как внутри диамагнитного пузыря, где магнитное поле обращается в ноль, так и на сильно замагниченных участках вблизи его границы. В этих условиях упрощённые гирокинетические и МГД модели плазмы теряют свою применимость. Предложенная ранее 3D PIC модель, однако, оказывается слишком трудоёмкой для описания сильных магнитных пробок в ГДМЛ из-за необходимости разрешать локальную циклотронную частоту электронов. Таким образом, в рамках данного проекта для полномасштабного моделирования эксперимента КОТ с относительно слабыми магнитными полями мы предложим оптимизированную версию уже имеющейся полунеявной 3D PIC модели, а для моделирования режимов с сильными магнитными пробками разработаем новую полностью неявную PIC модель, в которой одна и та же разностная схема в центре ловушки сможет описывать кинетику электронов с разрешением циклотронного вращения, а в окрестности пробок будет воспроизводить только их дрейфовые движения. Кроме того, для моделирования режимов без полного вытеснения магнитного поля мы предложим новую 3D PIC модель, в которой развитый нами ранее полунеявный метод с точным сохранением энергии и заряда будет адаптирован к приближённым дрейфово-кинетическим уравнениям движения частиц всех сортов. Этот метод позволит проводить относительные быстрые кинетические расчёты удержания плазмы как в экспериментах ГДЛ, так и на начальных стадиях эксперимента КОТ и ГДМЛ. Таким образом, данный проект будет направлен на разработку и оптимизацию целого набора уникальных PIC моделей, которые впервые смогут воспроизвести физику нагрева и удержания плазмы в открытых ловушках с разрешением электронной кинетики и станут основным инструментом для поиска наиболее эффективных режимов работы первого прототипа термоядерного реактора на основе открытой ловушки.
Доступ к ОКОГУ исполнителя	False
Количество связанных РИД	0
Количество завершенных ИКРБС	0
Сумма бюджета	21000.0
Дата начала	2025-05-29
Дата окончания	2027-12-31
Номер контракта	25-11-00096
Дата контракта	2025-05-29
Количество отчетов	3
УДК	517.958:533.9 517.958:537.84
Количество просмотров	6
Руководитель работы	Берендеев Евгений Андреевич
Руководитель организации	Федорук Михаил Петрович
Исполнитель	ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НОВОСИБИРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Заказчик	Российский научный фонд
Федеральная программа	—
Госпрограмма	—
Основание НИОКТР	Грант
Последний статус	2025-07-15 20:02:53 UTC, 2025-07-15 20:02:53 UTC
ОКПД	Услуги, связанные с научными исследованиями и экспериментальными разработками в области физики
Отраслевой сегмент	—
Минздрав	—
Межгосударственная целевая программа	—
Ключевые слова	ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ; ОТКРЫТЫЕ МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ; МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛАЗМЫ; ДРЕЙФОВОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ; МОДЕЛЬ ВЛАСОВА-МАКСВЕЛЛА; НЕЯВНЫЕ РАЗНОСТНЫЕ СХЕМЫ; МЕТОД ЧАСТИЦ В ЯЧЕЙКАХ; ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Соисполнители	—
Типы НИОКТР	Фундаментальное исследование
Приоритетные направления	—
Критические технологии	—
Рубрикатор	27.35.51 - Математические модели физики плазмы, кинетические уравнения
OECD	—
OESR	Физика жидкости, газа и плазмы (включая физику поверхностей); Прикладная математика
Приоритеты научно-технического развития	б) переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников энергии, способов ее передачи и хранения;
Регистрационные номера	—