Исследование изотопного состава и ионно-циклотронного нагрева водородно-дейтериевой плазмы токамаков методами корпускулярной диагностики

• Автор: Чернышев, Федор Всеволодович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 157 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ПЛАЗМЫ

1.1.1. Спектроскопия

1.1.2. Нейтронная спектрометрия

1.2 .ИОННО-ЦИКЛОТРОННЫЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ

1.2.1 Введение

1.2.2. Распространение волн в плазме при частотах, близких

к ионной циклотронной частоте

1.2.3. Нагрев плазмы, содержащей ионы малой добавки
1.2.4. Функция распределения ионов
1.2.5. Результаты экспериментов по ионно-циклотронному нагреву в токамаках
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ПЛАЗМЫ ПО АНАЛИЗУ ПОТОКОВ АТОМОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ.
2.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МЕТОДА
2.1.1 Пассивный метод
2.1.2 Активный метод
2.2 МНОГОКАНАЛЬНЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ С
МАССОВОЙ СЕЛЕКТИВНОСТЬЮ
2.2.1 Пятиканальный анализатор атомов
2.2.2 Влияние массового разрешения анализаторов на определение изотопного состава плазмы
2.2.2 Многоканальный анализатор атомов АКОРД

2.3 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ ИЗОТОПНЫМ
СОСТАВОМ ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ СОМРАЗБ-С
2.3.1 Параметры установки и размещение аппаратуры
2.3.2. Определение соотношения изотопов с помощью корпускулярной диагностики и сравнение со спектроскопическими измерениями
2.3.3. Особенности проведения эксперимента и основные результаты
ГЛАВА 3. ИОННО-ЦИКЛОТРОННЫЙ НАГРЕВ С ИЗОТОПНЫМ АНАЛИЗОМ НА ТОКАМАКЕ ТУМАН-3.
3.1 ТОКАМАК ТУМАН
3.1.1 Параметры установки и размещение диагностической аппаратуры
3.1.2 Особенности экспериментов по ИЦН на токамаке ТУМАН
3.2. ГЕНЕРАЦИЯ БЫСТРЫХ ЧАСТИЦ НА ПЛАЗМЕННОЙ
ПЕРИФЕРИИ
3.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ
3.3.1 Влияние уровня ВЧ мощности на эффективность нагрева
3.3.2 Зависимость эффективности нагрева от величины малой добавки
ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА
ПЛАЗМЫ В ТОКАМАКЕ ИТЭР
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ

Перспективы осуществления термоядерного синтеза в токамаке-реакторе тесно связаны с разработкой дополнительных методов нагрева плазмы, без которых невозможно достижение термоядерных температур. В настоящее время существует несколько альтернативных методов дополнительного нагрева плазмы, которые могут применяться как отдельно, так и в комбинации друг с другом. Наиболее перспективными считаются инжекция нейтральных атомов и ионно-циклотронный нагрев (ИЦН). Как правило, при использовании этих видов дополнительного нагрева имеют дело со смешанной плазмой, ионный компонент которой состоит из нескольких изотопов, причем нейтральная инжекция сама может являться источником смешанной плазмы, а традиционные схемы ИЦН основаны на присутствии в плазме ионов разных масс. Кроме того, в термоядерном реакторе предполагается использовать дейтериево-тритиевую смесь. Таким образом, в настоящее время концепция токамака-реактора заключается в применении смешанной плазмы как на стадии поджига с помощью дополнительных методов нагрева, так и на стадии стационарного горения. Эффективность дополнительных методов нагрева зависит от относительного содержания изотопов в плазме, а интенсивность реакции дейтерий-тритиевого термоядерного синтеза прямо определяется соотношением дейтерия и трития. Поэтому измерение и контроль изотопного состава плазмы в токамаке-реакторе является важной задачей, которая может быть решена в настоящее время только методом, основанным на анализе потоков атомов перезарядки. Для осуществления данного метода возникает потребность создания диагностической аппаратуры, обладающей высокой массовой селективностью и позволяющей одновременно регистрировать потоки частиц нескольких масс. Кроме того, необходимо продемонстрировать принципиальную

г). Уравнение Фоккера-Планка. Эволюция функции распределения ионов малой добавки может быть описана с помощью уравнения Фоккера-Планка, которое учитывает все перечисленные выше процессы. Обычно его записывают в виде [42,43]:
где С включает в себя источник быстрых ионов и учитывает потери частиц; О описывает кулоновские столкновения с электронами и ионами плазмы. В общем случае, когда распределение ионов малой добавки является функцией скорости, пространственной координаты и времени f, = Г’(г’,гд), уравнение (1.2.16) может быть решено только численно. При введении же некоторых упрощений решение может быть найдено в аналитическом виде. Первым это сделал Стикс [48], усреднив уравнение (1.2.16) вдоль траектории движения частиц. Он получил аналитическое выражение для функции распределения ионов добавки в стационарном случае. Наиболее просто выглядит высокоэнергичная часть функции распределения ионов, лежащая выше Есг, так как для этого диапазона энергий в операторе О нужно учитывать только торможение на электронах. Стационарное решение уравнения (1.2.16) для энергий выше Есг имеет вид больцмановской функции распределения с эффективной поперечной температурой, выражение для которой в системе СГС имеет вид:
где тй. - температура, выраженная в эрг, Р1С - удельная мощность ИЦН, приходящаяся на единицу объема плазмы, тзе - время торможения на электронах. Для энергий порядка Есг и ниже вид функции распределения оказывается гораздо более громоздким [48], так как для этого диапазона энергий в столкновительном члене 9 уравнения (1.2.16) должны учитываться как торможение на электронах, так и взаимодействие с ионами плазмы.
(1.2.16)
(1.2.17)