Исследование режимов удержания плазмы в сферическом токамаке Глобус-М методом томсоновского рассеяния лазерного излучения

• Автор: Курскиев, Глеб Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Оглавление.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ТЕРМОИЗОЛЯЦИИ ПЛАЗМЫ В ТОКАМАКАХ
1.1 Баланс энергии в токамаках и проблема поперечного переноса
1.2 Режимы работы токамаков с улучшенным удержанием энергии
1.3 Постановка задачи
1.4 Выводы к главе
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ
2.1 Метод томсоновского рассеяния
2.2 Энергобаланс плазменного шнура и задача транспортного анализа плазмы
2.3 Метод дополнительного нагрева плазмы нейтральным пучком в условия токамака Глобус-М
2.4 Выводы к главе
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОННОГО КОМПОНЕНТА ПЛАЗМЫ
3.1 Модернизация диагностического комплекса натокамаке Глобус-М
3.2. Регистрация экспериментальных данных, характеристики спектрометров и ошибки измерений
3.3 Калибровка аппаратуры
3.4 Выводы к главе
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ
ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКА ГЛОБУС-М В ОМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ И РЕЖИМЕ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВОМ НЕЙТРАЛЬНЫМ ПУЧКОМ
4.1 ДиагностикаТР в плазменном эксперименте натокамаке Глобус-М
4.2 Создание и экспериментальная апробация расчетной модели транспортных процессов в плазме токамака
Глобус-М
4.3 Исследование термоизоляции плазмы в режиме омического нагрева
4.4 Термоизоляция плазмы при дополнительном нагреве нейтральным пучком
4.5. Особенности поведения плазмы в режиме слабого магнитного шира
4.6 Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение.
Одним из перспективных источников энергии будущего является реактор основанный на реакции синтеза легких ядер. Ближе всего по требуемым параметрам к реакторной области подошли установки типа «токамак», основанные на удержании высокотемпературной плазмы в сильном тороидальном магнитном поле. На основе токамаков возможно создание, как энергетического термоядерного реактора, так и источника нейтронов для реактора гибридного типа «синтез-деление».
Для увеличения эффективности работы токамака, то есть для увеличения выхода энергии реакции синтеза при постоянной вложенной мощности, требуется создание хорошей термоизоляции плазменного шнура. И хотя движение частиц перпендикулярно магнитному полю сильно ограничено, термоизоляция плазмы в токамаках не подчиняется классическим закономерностям. Классический перенос, вызванный кулоновским столкновением частиц, и представляющий собой череду смещений частиц на величину порядка ларморовского радиуса при столкновении, характеризуется малыми величинами коэффициентов диффузии и теплопроводности. В торе, особенно при низкой частоте столкновений, в механизме переноса тепла и частиц доминирует существенно больший характерный размер - размер «банановой траектории», то есть траектории частицы запертой в области между сильным магнитным полем на внутреннем обводе и слабым на наружном. Перенос тепла, связанный с запертыми частицами называется неоклассическим, а характерные коэффициенты переноса превышают классические примерно настолько, насколько ширина банановой орбиты превышает размер ларморовского радиуса. Но и неоклассический перенос не является самым

сильным. В некоторых условиях потери тепла в поперечном магнитному ПОЛЮ направлении могут вызываться неустойчивостями с малым пространственным масштабом и высокой характерной частотой - плазменной турбулентностью. Турбулентность, возникающая как результат возбуждения микронеустойчивостей, имеет конечный пространственный масштаб и является причиной конвективного транспорта частиц и тепла поперек магнитного поля. Самая плохая термоизоляция характерна для плазмы с высоким уровнем
турбулентности, что приводит к малым временам удержания энергии тв~-
4 Ов

где а - малый радиус токамака, йБ ~ — - коэффициент диффузии Бома, Те

температура электронов, В - индукция магнитного поля. В токамаках времена удержания значительно выше Бомовских, хотя не для всех сортов частиц приближаются к неоклассическим. Такой транспорт тепла называется аномальным, и именно он является доминирующим для электронного компонента плазмы. Времена удержания энергии порядка неоклассических достижимы лишь для ионного компонента плазмы. Термоизоляция электронов значительно хуже. Времена удержания энергии электронного компонента могут составлять —0.01 от неоклассических значений и определятся в основном плазменной турбулентностью.
Несмотря на аномально высокий уровень потерь тепла и частиц, вызываемый плазменной турбулентностью, степень аномальности может значительно отличатся в разных режимах удержания. В 1982 году на установке АЗЭЕХ был открыт режим улучшенного удержания - //-мода [1]. В таком режиме на периферии плазмы формируется транспортный барьер для потока тепла и частиц, что приводит к существенному (2-3 раза) увеличению времени жизни энергии по сравнению с обычным режимом, получившим название Ь-

0,05 -0,04 -0

0,02 0
0,0001 0,001 0,01

Рисунок 3 Область рабочих параметров установок по основным безразмерным параметрам.
Как видно из рисунка существующие экспериментальные установки находятся достаточно далеко от области необходимых параметров. Сферические токамаки нового поколения с сильным магнитным полем к которым относятся строящиеся в данный момент К8ТХ-и[77], МА8Т-и, Глобус-М2 [1][2][3] должны представить необходимую экспериментальную базу. Здесь стоит отметить, что для создания источника нейтронов с большими значениями р. чрезвычайно актуальными являются исследования термоизоляции в компактных установках.
Токамак Глобус-М [78] входит в тройку ведущих мировых сферических токамаков. В сферических токамаках МГД устойчивость плазмы выше, чем в

СРМЭ С1оЬ«8-М2 С!о-М
тх-и МЭТХ
МАвТ-и МАЭТ
РИв-ЭТ

1ТЕИ