Взаимодействие водородных макрочастиц с плазмой токамаков

В настоящее время программа реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС) в установках типа «токамак» [1] вышла на финишную прямую.

Одной из важных проблем в программе УТС остается создание эффективной системы ввода топлива в плазму токамака. На всех современных экспериментальных установках для ввода вещества в плазму используется напуск газа с периферии плазмы. В тоже время развивается метод инжекции в плазму топливных таблеток (макрочастиц, пеллетов), состоящих из замороженных до твердого состояния изотопов водорода [2]. Водородные или дейтериевые макрочастицы размером 0.5−5 мм инжектируются со скоростью Vp= 0.2−2.5 км/с в направлении центра плазменного шнура радиусом, а до 120 см с температурой электронов Те до 3 кэВ и концентрацией электронов пе до 3×1014 см" 3. Под действием потоков тепла из плазмы токамака поверхность пеллета нагревается и затем испаряется за время порядка 100−500 мкс, за которое пеллет успевает пролететь 10−100 см. Инжекция макрочастиц позволяет более эффективно доставлять вещество в центральную часть плазмы, где должна происходить термоядерная реакция. Эффективность топливного цикла при инжекции таблеток определяется глубиной их проникновения в плазму, т. е. расстоянием от периферии плазмы, где начинается испарение, до точки, где таблетка полностью испарится. Важно также изменение скорости испарения таблетки по мере ее проникновения в плазму. Поэтому, для проектирования системы ввода топлива необходима модель взаимодействия макрочастиц с горячей плазмой токамака. Такая модель должна предсказывать скорость испарения макрочастиц, в зависимости от параметров плазмы и макрочастицы (ее скорости, размера и материала).

Большая часть предложенных моделей рассматривает ситуацию в максвелловской плазме, где испарение определяется, в основном, электронами плазмы. В то же время, экспериментально показано, что при инжекции макрочастиц в плазму с дополнительным нагревом пучком высокоэнергетичных атомов (NBI нагревом) быстрые ионы, появляющиеся в плазме, существенно влияют на испарение. Немногочисленные модели [3, 4], анализирующие влияние быстрых ионов на испарение, носят упрощенный характер, предсказывают испарение, значительно отличающееся от экспериментального, и не подкреплены моделированием большого количества экспериментов.

В реакторе инжекция будет носить периодический характер, когда таблетки будут инжектироваться в плазму с частотой 1−10 Гц. Явления, происходящие в плазме при таком режиме, слабо изучены как экспериментально, так и теоретически. Уже первые эксперименты, проведенные на А8БЕХ-1^гас1е [5], показали неожиданное уменьшение глубины проникновения и усиленное искривление траектории последних таблеток, которое не нашло объяснения в рамках известных моделей.

Как правило, для проверки моделей испарения сравнивается с экспериментом лишь интегральная величина — глубина проникновения макрочастиц в плазму. Структура облака, окружающего макрочастицу и определяющего скорость испарения, описывается различными моделями, но при этом выполнено лишь небольшое количество экспериментов по изучению облака вокруг макрочастиц. Сравнения результатов расчета структуры облака с экспериментом ограничиваются сопоставлением полных размеров и не содержат анализа экспериментальной структуры облака.

Сказанное выше определяет существование ряда пробелов в описании взаимодействия водородных макрочастиц с плазмой. Настоящая работа восполняет эти пробелы и содержит исследования испарения макрочастиц в плазме с N131 нагревом, анализ эксперимента по испарению макрочастиц в разрядах с их многократной инжекцией, и изучение светящегося облака вокруг макрочастицы.

Цели работы.

1. Разработка модели испарения макрочастиц в плазме с быстрыми ионами N131 нагрева. Сопоставление модельных предсказаний с экспериментальными данными, полученными на токамаках ТРТЯ, БШ-Б, предоставленными международной базой данных ¡-РАБВАЭЕ.

2. Анализ изменения условий испарения макрочастиц в разрядах с их многократной инжекцией.

3. Изучение пространственного распределения интенсивности излучения светящегося облака вокруг макрочастицы.

4. Экспериментальное изучение светящегося облака вблизи макрочастицы спектроскопическими методами для определения температуры в облаке.

Новизна работы.

1. Предложена новая модель испарения пеллета в плазме с быстрыми ионами NBI нагрева. Модель учитывает изменение потенциала плазменного облака вблизи пеллета за счет потока быстрых ионов, а также дополнительный прогрев облака быстрыми ионами и непосредственное испарение пеллета быстрыми ионами. Предсказание модели сопоставлено с обширной экспериментальной базой данных. Модель качественно правильно описывает значительное увеличение испарения на периферии плазмы и сокращение глубины проникновения пеллетов при дополнительном NBI нагреве плазмы, наблюдавшееся на токамаках TFTR и DIII-D. Для реактора ITER предсказывается уменьшение глубины проникновения таблеток на 15 процентов.

2. Впервые проанализировано изменение условий испарения пеллетов при их периодической инжекции в токамак. Показано, что инжекции стимулируют эффект увеличения популяции надтепловых электронов в плазме за время разряда, который может значительно повлиять на испарение и ускорение пеллетов. Проанализированы результаты эксперимента с периодической инжекцией таблеток в токамак ASDEX-Upgrade, установившего рост кривизны траектории макрочастиц и сокращение глубины проникновения по мере инжекций [5].

3. Проанализировано пространственное распределение свечения облака вокруг пеллета. Впервые по фотографиям облака отмечено сигарообразное плато максимальной светимости.

4. Разработана оригинальная экспериментальная методика, позволяющая одновременно получить интегральные фотографии облака испаряющегося пеллета одновременно в двух диапазонах длин волн: в континууме и в линиях На, Н р (Da, Dp). Впервые такие измерения проведены в различных точках вдоль траектории макрочастицы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Основные результаты данной работы состоят в следующем:

1. Разработана новая модель испарения пеллета в плазме с быстрыми ионами, возникающими в результате дополнительного N61 нагрева. Модель учитывает изменение потенциала плазменного облака вблизи пеллета за счет потока быстрых ионов. Она позволяет рассчитать скорость испарения поверхности пеллета с различных направлений относительно направления магнитного поля. Модель описывает значительное увеличение испарения на периферии плазмы и сокращение глубины проникновения пеллетов при дополнительном N61 нагреве плазмы, наблюдавшееся на токамаках ТРТ11 и Б-ПГО.

2. Проанализированы результаты и предложено объяснение экспериментов с периодической инжекцией водородных таблеток в токамак АЗБЕХ-Т^гаёе, установивших рост кривизны траектории макрочастиц и сокращение глубины проникновения по мере последовательных инжекций. Рассмотрены различные механизмы увеличения тороидального сдувания: модификация профиля плотности тока, модификация бутстрэп-тока, радиальное торможение пеллета за счет градиентов температуры и концентрации плазмы, модификация сдвига магнитных поверхностей, эффект увеличения популяции надтепловых электронов за счет близких столкновений в плазме за время разряда. Показано, что из перечисленных эффектов лишь последний может объяснить экспериментальные результаты. Рассчитана эволюция популяции иадтепловых электронов в экспериментальных условиях А8БЕХ-Ц^гас1е и показано, что инжекция пеллет приводит к дополнительному ее росту.

3. Исследована эволюция светящихся облаков, полученных при инжекции водородных пеллетов в токамак Т-10 [6]. Отмечено существование в центре облака плато с постоянными значениями интенсивности окруженного экспоненциальными крыльями. Поперечный размер плато соотнесен с размером границы ионизации облака. Предложена оценка для размера границы ионизации облака.

4. Разработана новая методика определения температуры светящихся облаков, основанная на одновременном интегральном фотографировании линии На Нр (Ба, Бр) и континуума. С ее помощью проведено исследование на токамаке Т-10. Показано, что измеренные значения температуры в центре облака и градиенты температуры 1−2эВ/см на его крыльях остаются постоянными в процессе испарения при значительных различиях в скорости испарения.

В заключение, хотелось бы выразить благодарность всем коллегам, помогавшим мне в работе. Особую благодарность хочу выразить научному руководителю работы Б. В. Кутееву и В. Ю. Сергееву за внимание и помощь оказанную ими на всех этапах работы, а также проф. В. А. Рожанскому и проф. Л. Д. Цендину за полезную критику. Должен отметить, что данная работа была бы невозможна без экспериментальных данных, любезно предоставленных мне коллегами. Я благодарен Л. Бэйлору и Г. Шмидту за данные использованные для моделирования в главе 2, П. Лангу, К. Бюхлю и Б. Курцану за данные, описывающие экспериментальный феномен, замеченный при многократной инжекции пеллетов в А8БЕХ-1^гас1е, И. В. Мирошникову за предоставленные экспериментальные данные, послужившие базой работы представленной в главе 4, и многочисленные полезные обсуждения. Я также благодарен коллективу токамака Т-10, обеспечившему возможность проведения измерений, описанных в главе 5.

1Ч&

Заключение

.

В диссертации изложены основные результаты, полученные при исследовании взаимодействия водородных макрочастиц с плазмой токамака. Разработана модель испарения водородной макрочастицы в плазме с быстрыми ионами. Проанализировано экспериментально наблюдаемое увеличение тороидального ускорения макрочастиц от первой инжекции к последующим в разряде с многократной инжекцией. Исследована эволюция продольных распределений температуры в облаке испаряющейся макрочастицы. Исследована структура и предложена простая модель для светящихся облаков вблизи водородных пеллетов.