Экспериментальное исследование мелкомасштабных флуктуаций плотности плазмы в установке токамак Т-10

• Автор: Шелухин, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 178 с. : ил.

1. Введение

2. Мелкомасштабные неустойчивости в плазме токамака

2.1. Турбулентность и аномальный перенос в плазме токамака

2.2. Дрейфовые неустойчивости: предсказания линейной теории

2.2.1. Ионная температурная градиентная мода

2.2.2. Моды, возбуждаемые примесями

2.2.3. Диссипативная неустойчивость на запертых электронах

2.2.4. Электронная температурная градиентная мода

2.3. Дрейфовые неустойчивости: предсказания нелинейной теории

2.3.1. Формирование протяженных радиальных структур

2.3.2. Стохастические потоки плазмы при развитой турбулентности.

2.4. Другие неустойчивости, приводящие к переносу в токамаке
2.4.1. Магнитогидродинамические неустойчивости
2.4.2. Резистивная баллонная мода
2.4.3. Мелкомасштабные разрывные неустойчивости
2.5. Глобальные подходы при исследовании турбулентности
2.6. Данные экспериментальных исследований мелкомасштабной турбулентности
3. Глобальные характеристики мелкомасштабных флуктуаций плотности.
3.1. Установка Т-10. Диагностический комплекс установки
3.2. Спектральный состав турбулентности в различных областях плазменного шнура
3.2.1. Периферийные стохастические низкочастотные колебания
3.2.2. Широкополосные колебания
3.2.3. Квазикогерентные колебания
3.2.4. Центральные низкочастотные колебания
3.2.5. Колебания в области частот 15-30 кГц
4. Характеристики турбулентности в квазистационарных режимах
4.1. Вращение турбулентности в различных режимах
4.2. Сравнение характеристик турбулентности в омических режимах с различным профилем электронной плотности
4.3. Зависимость амплитуды и спектрального состава турбулентности от плотности плазмы в омических и ЭЦРН разрядах
5. Особенности характеристик турбулентности в различных режимах
5.1. Поведение турбулентности в периферийном транспортном барьере
5.1.1. Поведение турбулентности при спонтанном возникновении ПТБ
5.1.2. Характеристики флуктуаций плотности в режиме с ПТБ, инициированном инжекцией дейтериевой микрочастицы
5.2. Поведение турбулентности во внутреннем транспортном барьере
5.3. Поведение турбулентности в быстрых процессах
5.3.1. Турбулентность на начальной стадии ЭЦР нагрева
5.3.2. Изменение свойств флуктуаций плотности при быстром охлаждении периферии
6. Заключение
7. Приложение I: Статистические методы обработки данных:
8. Приложение II: Применение корреляционной рефлектометрии для оценки локальных параметров флуктуаций плотности
8.1. Локальность рефлектометрии и оценка амплитуды возмущений плотности в одномерном приближении
8.2. Аналитическая оценка чувствительности рефлектометрии к полоидальным возмущениям плотности в модели фазового экрана
8.3. Определение относительной амплитуды флуктуаций плотности по данным рефлектометра
9. Список используемых сокращений в диссертации
10. Литература
1. Введение
На протяжении всей истории главной задачей, стоящей перед физикой высокотемпературной плазмы, было увеличение времени удержания энергии и частиц в объеме установки. Эксперименты по магнитному удержанию плазмы не привели к быстрым результатам. Первые данные показали, что перенос в таких системах далек от классических представлений о диффузии. Эти результаты нашли отражение в работе Д. Бома, который на основе анализа экспериментальных данных получил оценку переноса поперек магнитных поверхностей в виде:
В в ~сТ/6еВт (1-1),
где Г-температура плазмы, Вт-магнитное поле. Однако дальнейшие работы
на установках типа токамак показали, что после создания правильных условий
равновесия и стабилизации крупномасштабных МГД неустойчивостей,
удержание плазмы значительно превышает предсказываемое формулой Бома
[1]. Тогда же была создана неоклассическая теория переноса, учитывающая
особенности движения заряженных частиц в тороидальных магнитных
системах [2, 3].
Сравнение предсказаний неоклассической теории переноса и экспериментальных данных показало, что, хотя перенос в токамаке и не определяется Бомовской диффузией, коэффициенты диффузии и теплопроводности существенно превышают неоклассические. Предполагается, что причиной наблюдаемой аномальной диффузии является развитие в плазме токамака мелкомасштабных неустойчивостей. Возникающие при их появлении хаотические электрические и магнитные поля приводят к повышенному уходу частиц поперек магнитных поверхностей и ухудшению времени жизни. На этом этапе теория столкнулась с серьезной проблемой: создание замкнутой системы уравнений, описывающей поведение плазмы в токамаке, и анализ этой системы является крайне сложной задачей. Поэтому пришлось отказаться от рассмотрения полной картины и сосредоточить усилия на исследовании
турбулентности. В центральных областях флуктуации вращаются в сторону электронного диамагнитного дрейфа. В задиафрагменной области эта скорость направлена в сторону ионного диамагнитного дрейфа. Таким образом, должна существовать область, в которой скорость флуктуаций меняет знак - зона шира скорости.
Подробные изучение параметров флуктуаций в этой области были проведены в экспериментах на Т-10 с помощью КР и МЗЛ [115]. Измерения были проведены в режиме с омическим нагревом при 1Р = 290 кА, Вт= 2,4 Т и пе = 3,9><1019 м'3. На радиальном профиле скорости флуктуаций, измеренных с помощью обоих диагностик, четко виден резкий градиент скорости полоидального вращения вблизи положения рельсовой диафрагмы (рисунок 3.2-2, а). Показано, что радиальное электрическое поле Ег, рассчитанное по данным МЛЗ, меняет знак вблизи диафрагмы (рисунок 3.2-2, б) и определяет формирование области резкого изменения параметров плазмы. Изменение направления поля Ег в этом случае может объясняться резким изменением баланса электронов и ионов. В области замкнутых магнитных поверхностей превалируют потери ионов за счет более высокого переноса поперек магнитных поверхностей. В задиафрагменной области потери электронов превышают ионные за счет быстрого ухода электрона на диафрагму вдоль силовых линий магнитного поля. Радиальное положение максимального градиента электрического поля и полоидального вращения совпадает с областью минимума радиальных и полоидальных корреляционных длин флуктуаций (рисунок 3.2-2, в).
Поскольку зона резкого измерения параметров флуктуаций плазмы связана с изменением скорости вращения, ее часто называют зоной шира скорости. В разрядах с омическим нагревом положение этой зоны связано, в основном, с топологией магнитных поверхностей и определяемыми этой топологией потерями. Однако в энергетически напряженных разрядах положение этой зоны может измениться, если баланс электронов и ионов претерпит существенные изменения, например в разрядах с ЭЦР нагревом.