Разработка методики нагрева плазмы нейтральным пучком для достижения предельных параметров на сферическом токамаке Глобус-М

• Автор: Минаев, Владимир Борисович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 167 с. : ил.

Оглавление
Введение

Постановка задачи

Научная новизна работы

Личное участие автора

Глава 1. Анализ условий реализации эксперимента по инжекционному нагреву на сферическом токамаке Глобус-М

1.1. Особенности сферического токамака Глобус-М

1.2. Разработка комплекса нейтральной инжекции на основе источника с положительными ионами для токамака Глобус-М

1.3. Параметры атомного пучка для эксперимента по нейтральной инжекции

1.3.1. Характеристики пучка с источником ИПМ

1.3.2. Характеристики пучка с источником ИПМ
1.3.3. Энергетический спектр пучка
Выводы к Главе
Глава 2. Постановка эксперимента по нейтральной инжекции на сферическом токамаке Глобус-М
2.1. Моделирование процесса взаимодействия атомного пучка с плазмой
2.1.1. Процессы, определяющие передачу мощности от пучка плазме
2.1.2. Моделирование "прямых" потерь пучка
2.1.3. Моделирование эффективности поглощения мощности пучка
2.1.4. Оценка влияния параметров плазменной мишени на максимально достижимые значения температуры и относительного газокинетического давления при нейтральной инжекции

2.2. Выбор схемы эксперимента
2.2.1. Диапазон рабочих параметров
2.2.2. Геометрия инжекции
Выводы к Г лаве
Глава 3. Исследование процессов, влияющих на нагрев плазмы, и оптимизация параметров инжекцин пучка
3.1. Торможение частиц пучка в плазме
3.2. Оптимизация прицельного параметра инжекции
3.3. Влияние изотопного состава пучка на нагрев ионов
3.4. Влияние энергии частиц пучка на нагрев ионов
3.5. Влияние концентрации мишени на нагрев плазмы
Выводы к Главе
Глава 4. Получение режимов с предельными параметрами плазмы с помощью инжекции
4.1. Достижение максимальной температуры ионов
4.2. Получение режимов с предельной плотностью и достижение предела Гринвальда
4.3. Получение режимов с высокими значениями относительного газокинетического давления и увеличение энергозапаса плазмы при
инжекции
Выводы к Главе
Заключение
Положения работы, выносимые на защиту
Литература
Рисунки

Введение
Установки с магнитным удержанием плазмы типа токамак к настоящему моменту наиболее близко подошли к реализации идеи управляемого термоядерного синтеза (УТС). Не вызывает сомнения факт, что в токамаках следующего поколения будет продемонстрировано "горение" термоядерной реакции. Существенным шагом в данном направлении явилось завершение инженерного проекта и начало строительства международного термоядерного реактора ITER [1-3]. В проекте в качестве основного метода дополнительного нагрева плазмы предусматривается применение мощных пучков атомов изотопов водорода высокой энергии - нейтральная инжекция (НИ) [4]. Однако, для создания коммерческого термоядерного реактора необходимо решить ряд задач, и прежде всего, уменьшить затраты на сооружение и эксплуатацию установки. Одним из возможных путей достижения цели является снижение величины и объема удерживающего плазму магнитного поля В. Критерии Лоусона [5] можно представить в виде /?-тЕ>2.5/В2 (с, Тл), где /? = 2ць<р >/В2, <р> - усредненное по объему газокинетическое давление плазмы и те - энергетическое время, и потери в основном определяются теплопроводностью [6]. Видно, что при снижении магнитного поля требуется обеспечивать более высокое значение величины произведения /?-тЕ . Таким образом, интерес представляют установки, позволяющие получать плазму с более высокими значениями параметра бета при сохранении времени удержания энергии в плазме на прежнем уровне. Одним из представителей таких систем с тороидальной конфигурацией является сферический токамак (СТ).
В токамаках естественный нагрев плазмы (омический) осуществляется за счет выделения джоулева тепла при протекании по плазменному шнуру тока, создаваемого вихревым электрическим полем. Однако существует ряд причин, препятствующих достижению в токамаке

проводить оценки электронной температуры плазмы методом поглотителей. Для сбора информации на установке имеется более 500 цифровых каналов записи. Получаемая во время импульса информация (более 10 Мб за импульс) хранится в базе данных разрядов и доступна для удаленного доступа через сеть Internet.
1.2. Разработка комплекса нейтральной инжекции на основе
источника с положительными ионами для токамака Глобус-М
Как было отмечено во введении к диссертации, решение об использовании инжектора мощного атомного пучка в качестве системы дополнительного нагрева плазмы в токамаке Глобус-М было принято на завершающей стадии его сооружения. До этого времени в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН отсутствовал опыт применения метода НИ на токамаках. К существенным требованиям, установленным при решении поставленной задачи, следует отнести минимизацию финансовых затрат и жесткие временные ограничения на ввод в действие комплекса НИ. Учитывая мировой опыт по созданию подобных комплексов (стоимость 1 Вт мощности НИ превышает 1 доллар США), строительство "с нуля" подобной системы не представлялось возможным. Из имевшихся в наличии неиспользуемых инжекторов наиболее соответствующим по своим параметрам условиям эксперимента на токамаке Глобус-М был инжектор токамака Т-11, перевезенный в ТРИНИТИ вместе с установкой после завершения исследований в РИД "Курчатовский институт" в 1983 г.
Вышеуказанное оборудование было взято в аренду для использования в качестве основы для создания комплекса НИ на токамаке Глобус-М. Проведенная ревизия показала, что имеются в наличии основные конструктивные элементы инжектора (корпус, система крио-сорбционной откачки, юстировочное устройство, приемники пучка,