Delist.ru

Экспериментальное исследование равновесных параметров основной ионной компоненты и ее стационарного вращения в плазме токамаков (15.08.2007)

Автор: Романников Александр Николаевич

Приведенное автором исследование поведения изотопного состава плазмы токамака Т-11М показало, что при использовании карборана для боронизации камеры и лимиторов токамака необходимо во время синтеза этого вещества, применять дейтерий вместо водорода.

при изменении эффективного атомного веса ионов плазмы от 1 до 2 в некоторых режимах токамака. Так как отсутствует в настоящее время понимание природы «изотопического эффекта» в токамаке, этот результат может существенно упростить подходы к теоретическому объяснению данного эффекта.

Приведено экспериментальное подтверждение механизма нагрева основных ионов дейтерия полностью ионизованными ионами бора на токамаке Т-11М, что открывает возможность применения подобной схемы, с использованием ионов бериллия, в токамаке ITER.

Автором показано, что в некоторых режимах работы будущего токамака-реактора могут возникнуть условия, которые приведут к формированию радиальных профилей ионной температуры с провалом в области центра плазмы. Заметное снижение центральной температуры ионов является негативным фактором. Поэтому, в реакторе необходимо будет избегать появления подобных режимов.

Проведенное автором исследование доплеровского сдвига спектральных линий в зависимости от электрического поля при измерении методом CXRS в радиальном направлении, может служить основой нового диагностического инструмента для измерения радиального электрического поля в плазме токамака.

Разработка методики прямого измерения скоростей потоков основных ионов плазмы и впервые проведенные измерения скоростей полоидальных и тороидальных потоков, открывают новые горизонты исследования процессов формирования различных улучшенных режимов удержания плазмы токамака.

Полученное автором интегральное соотношение, связывающее радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и градиенты температуры и плотности ионов, дает новое условие равновесия плазмы в целом и позволяет связать экспериментально наблюдаемые скорости потоков плазмы с процессами удержания электронов и ионов.

Достоверность и обоснованность результатов исследований определяется проведением экспериментов в широком диапазоне параметров плазмы, сравнением особенностей поведения основных ионов плазмы в различных токамаках (Т-11М, Tore-Supra, FTU), новыми возможностями стандартных диагностических методик. Обоснованность приводимых выводов базируется на подробном анализе современных экспериментальных и теоретических исследований функций распределения основных ионов плазмы. Как указано ниже, полученные автором результаты прошли апробацию на видных российских и международных форумах, опубликованы в ведущих журналах по физике плазмы, что дополнительно свидетельствует об обоснованности и надежности результатов диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

Результаты исследования поведения изотопного состава плазмы токамака Т-11М в условиях боронизованной стенки. Показано, что наряду с улучшением характеристик плазмы, карборан на основе водорода, который используется для боронизации, приводит к значительному плохо контролируемому увеличению концентрации ионов водорода в дейтериевой плазме разряда. Исследования привели к практическому результату - к необходимости замены в карборане водорода на дейтерий.

Пороговая зависимость энергетического времени жизни плазмы от изотопного состава при изменении эффективного атомного веса ионов плазмы от 1 до 2 для некоторых режимов работы токамаков. На примере серии экспериментов с омическим нагревом в плазме токамака FTU была продемонстрирована данная особенность при смене рабочего газа водорода на дейтерий.

Результаты исследования радиального профиля температуры ионов дейтерия и водорода при ионно-циклотронном нагреве на малой добавке водорода в присутствии ионов бора в токамаке Т-11М. Эти измерения, впервые проведенной на токамаках, служат подтверждением механизма нагрева основных ионов дейтерия полностью ионизованными ионами бора, которые получили энергию от ионной берштейновской волны, образованной в результате конверсии быстрой магнитозвуковой волны вблизи ион - ионного гибридного резонанса.

Открытие существования в токамаках с большой тороидальной гофрировкой радиальных профилей ионной температуры с провалом в центре плазменного шнура (при определенных величинах запаса устойчивости) на примере исследования омических разрядов плазмы токамака TORE-SUPRA.

Результаты исследования влияния работы эргодического дивертора на уменьшение ионной температуры на оси плазмы в экспериментах на токамаке TORE-SUPRA.

Новый эффект, который проявляется в зависимости доплеровского сдвига спектральной линии от радиального электрического поля плазмы токамака при измерениях методом CXRS. Этот эффект, с одной стороны, приводит к ухудшению точности измерения скорости полоидального вращения плазмы, с другой стороны, дает принципиальную возможность прямого измерения радиального электрического поля.

Метод измерения скорости полоидального вращения основных ионов при резких изменениях радиального электрического поля плазмы и пионерские измерения скорости вращения плазмы корпускулярной диагностикой при L-H переходе на токамаке Т-11М.

Метод измерения скорости тороидального вращения основных ионов и впервые на токамаках проведенные измерения скорости тороидального вращения дейтерия в TORE-SUPRA.

Новый теоретический подход к объяснению природы радиального электрического поля в плазме токамака. Взамен традиционного локального уравнения, связывающего радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и диамагнитный член, получено новое интегральное уравнение.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях по Физике плазмы и УТС (Yokohama-1998, Montreal-1996, Cleawode-1991), Европейских конференциях по УТС и физике плазмы (London-2004, Sankt-Peterburg – 2003, Montreux-2002, Budapest-2000, Maastricht-1999, Berchtesgaden-1997, Innsbruck-1992, Amsterdam-1990), Интернациональной Шервудской теоретической конференции по управляемому синтезу (Wisconsin-1997), Совещание технического совета по малым установкам для управляемому синтезу (Sao Paulo-2001), Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Звенигород-2007, Троицк-2003, Санкт-Петербург 1997), на Конференциях по физике плазмы и УТС РАН (Звенигород 1987, 2007), а также на семинарах ТРИНИТИ (Троицк 1984 – 2004), на семинаре ЛФТИ им. М.С.Иоффе (Санкт-Петербург 1998), на научных семинарах ИЯС РНЦ «Курчатовский Институт» (Москва 2003, 2006-2007), на научных семинарах токамака Tore-Supra (Cadarache, France, 1998-200, 2003-2005).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 42 работы, из них 12 в реферированных журналах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 225 страниц. Диссертация содержит 83 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 176 наименований.

II КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из Введения, четырех Глав и Заключения:

Во Введении дана общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы, приводится литературный обзор исследований поведения основных ионов плазмы в токамаках. Дается описание содержания диссертации и основных результатов, выносимых на защиту.

Первая глава диссертации – вводная.

В Первом параграфе этой главы излагается используемый автором подход к обоснованию, применению и ограничениям метода исследования потоков нейтралов из плазмы токамака. В основе этого подхода лежит аппроксимация пассивного потока нейтралов вдоль хорды измерения асимптотическим решением интегралов типа интеграла Лапласа. Обоснованы экспериментально реализованные возможности метода корпускулярной диагностики и показаны ограничения, которые привели в настоящее время к частичному отказу от использования потоков нейтралов для интерпретации поведения основных ионов плазмы.

Во Втором параграфе показаны схемы размещения корпускулярных анализаторов на токамаках Т-11М, FTU и TORE-SUPRA, при помощи которых были проведены все экспериментальные исследования, изложенные в диссертации. Приведены схемы конструкции анализаторов и их основные характеристики.

Во Второй главе представлены экспериментальные исследования, связанные с изотопным составом ионов плазмы на токомаках Т-11М и FTU.

В Первом параграфе кратко излагаются метод боронизации стенок токамака Т-11М карбораном (С2В10Н12) и эксперименты по изучению параметров плазмы в условиях боронизованных стенок и лимиторов. Приводятся полученные автором экспериментальные данные по изотопному составу дейтериевой плазмы после боронизации. Приведен график изменения содержания водорода в дейтериевой плазме в зависимости от числа разрядов после боронизации. Показано, что борсодержащие пленки, покрывающие камеру токамака и лимиторы, являются дополнительным плохо контролируемым источником поступления водорода в разряд. Для ионно-циклотронного нагрева на малой добавке водорода (основная экспериментальная программа, проводимая на токамаке Т-11М), подобное поведение изотопного состава не позволяет вести полноценные эксперименты по нагреву плазмы. Главный вывод данного раздела диссертации - это необходимость замены в карборане водорода на дейтерий.

Во Втором параграфе кратко представлен обзор экспериментов, связанных с так называемым «изотопическим эффектом». Далее приведено описание серии экспериментов на установке FTU по измерению зависимости энергетического времени жизни плазмы от эффективного атомного веса ионов. Показано, что существует пороговое увеличение энергетического времени жизни плазмы в области, где эффективный атомный вес рабочего газа составляет 1.4-1.6.

Третья глава посвящена исследованию радиальных профилей температуры ионов дейтерия и водорода в различных экспериментальных режимах на токамаках Т-11М и TORE-SUPRA.

В Первом параграфе представлены экспериментальные исследования радиального профиля температуры ионов дейтерия и водорода при ионно-циклотронном нагреве на малой добавке водорода в присутствии небольшой концентрации ионов бора в токамаке Т-11М. Большая эффективность нагрева по сравнению с экспериментами, проводимыми ранее, одинаковое поведение «хвостов» функции распределения ионов водорода по энергиям в старых и новых режимах и пикирование центрального профиля температуры дейтерия - служат подтверждением существования нового механизма нагрева ионов дейтерия в присутствие ионов бора

Во Втором параграфе проведены исследования радиального профиля ионной температуры дейтерия в омических разрядах на токамаке TORE-SUPRA в зависимости от различных параметров плазмы. Измерения проводились методом активной корпускулярной диагностики. Одновременно измерялся профиль температуры С5+ вдоль диагностического пучка и центральная ионная температура Cr22+. При запасе устойчивости на границе близком к 3 были открыты режимы с полыми профилями температуры дейтерия и С5+. Дано качественное объяснение этого эффекта.

В Третьем параграфе Третьей главы представлены результаты экспериментов, показывающие заметное уменьшение температуры ионов дейтерия в центре плазмы в результате влияние работы эргодического дивертора на токамаке TORE-SUPRA. Дается простое объяснение этому явлению, связанное с эффективным уменьшением малого радиуса плазмы.

В Четвертой главе представлены результаты исследований стационарного вращения ионов плазмы в тороидальном и полоидальном направлениях, а также исследования радиального электрического поля в плазме токамака.

???лазмы. Отмечены проблемы согласования расчетных скоростей вращения ионов с экспериментальными и направления исследований, позволяющие связывать теорию с существующими экспериментами. Рассмотрены особенности применимости спектроскопии излучения ионов примесей, которое возникает за счет перезарядки ионов на диагностическом пучке (CXRS). Эти особенности, связанные с геометрией расположения линий видимости диагностики и конечного времени жизни возбужденного состояния ионов примесей, приводят к искажению спектральных линий и необходимости существенной коррекции измеряемых скоростей потоков ионов.

В Первом параграфе рассматривается открытый автором новый эффект, связанный с радиальным электрическим полем в плазме. Этот эффект проявляется в том, что при измерении методом CXRS, возникает добавочный (к обычно существующим сдвигам) сдвиг спектральной линии, пропорциональный радиальному электрическому полю. Этот сдвиг происходит в двух направлениях: полоидальном и радиальном. Учет сдвига спектральной линии в случае измерения излучения примесей, например, гелия, приводит к необходимости коррекции рассчитанной скорости полоидального вращения исследуемых ионов по абсолютной величине примерно на 30%. Сдвиг линии при измерении методом CXRS в радиальном направлении может быть использован для исследования радиальных электрических полей в плазме токамаков.

загрузка...