Исследование быстрых электронов и процесса выключения разряда методом инжекции макрочастиц в установках с магнитным удержанием плазмы

• Автор: Тимохин, Владимир Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 180 с. : ил.

Содержание

Введение
1. Исследования выключения разряда и быстрых электронов в установках с магнитным удержанием плазмы (обзор литературы)

1.1. Основные приложения псллст-нижскции в исследованиях по проблеме УТС

1.1.1. Инжекция макрочастиц для управления плазменным разрядом

1.1.1.1. Подпитка плазмы методом пеллет-ипжекции

1.1.1.2. Оптимизация разряда методом пеллет ию/секции

1.1.1.3. Гашение разряда методом пеллет инжекции

1.1.2. Диагностические приложения пеллет-инжекции

1.1.2.1. Исследования процессов переноса
1.1.2.2. Измерения характеристик магнитного поля
1.1.2.3. Диагностика функции распределения быстрых частиц
'4 1-2. Современное состояние исследований по выключению разряда токамака
1.2.1. Основные проблемы выключения разряда
1.2.1.1. Предел по плотности
1.2.1.2. Вертикальное смещение шнура и индукционные токи в вакуумной камере
1.2.1.3. Генерация убегающих электронов
1.2.2. Методы выключения разряда
1.2.2.1. Периферийный газонапуск и инжекция струй
1.2.2.2. Пеллет-иижекция легких примесей
1.2.2.3. Инжекция тяжелых примесей
1.2.3. Эксперименты по выключению разряда методом пеллет-инжекции на современных установках
1.2.3.1. Т-
1.2.3.2. JT-60U
1.2.3.3. ASDEX Upgrade
1.2.3.4. Dlll-D
1.2.3.5. Alcator С-Mod
* 1.2.3.6. JET
1.2.3.7. TFTR
1.2.3.8. Обсуждение экспериментальных результатов
1.2.4. Моделирование выключения разряда
1.2.4.1. Нульмерная модель
1.2.4.2. Одномерная модель
1.3. Исследование быстрых электронов в установках с магнитным удержанием плазмы
1.3.1. Принципы генерации быстрых электронов в установках с магнитным удержанием плазмы
1.3.1.1. Убегающие электроны в токамаках
1.3.1.2. Надтепловые электроны
1.3.2. Методы регистрации быстрых электронов
1.3.2.1. IIXR диагностика
1.3.2.2. Синхротроннеє излучение
1.3.2.3. ЕСЕ диагностика
1.3.3. Наблюдения быстрых электронов методом пеллет-инжекции
1.3.3.1. Принцип регистрации иадтетовых электронов методом инжекции макрочастиц
1.3.3.2. Первые эксперименты на Т-
1.3.3.3. Эксперименты на Heliotron Е
1.3.3.4. Инжекция углеродных пеллет в Wendelstein 7-AS
1.4. Выводы из обзора литературы и постановка задач
2. Исследование выключения плазменного разряда токамака методом инжекции макрочастиц тяжелой примеси
2.1. Эксперименты по гашению плазмы токамака Т-10 (3,4 ,8,9,11J
2.1.1. Экспериментальная установка
2.1.1.1. Тока.макТ-
2.1.1.2. Комплекс примесной пеллет-инжекции токамака Т-10 на основе инжектора ДІШ-
2.1.1.3. Система регистрации пеллетных облаков
2.1.2. Методика расчета депозиции примеси
2.1.3. Результаты экспериментов и их обсуждение
2.1.3.1. Инжекция KCl пеллет на квазистационарной стадии разряда
2.1.3.2. Инжекция Ті на квазистационарной стадии разряда

2.1.3.3. Инжекция KCl на стадии спада тока
2.1.3.4. Инжекция большого количества KCl на квазистационарной стадии разряда.

2.1.3.5. Обсуждение экспериментапьпых результатов
2.1.3.6. Анализ генерации убегающих электронов
2.2. Одномерная модель гашения разряда методом макрочастиц [1,2,5, 6, 8]
2.2.1. Система уравнений
2.2.2. Граничные и начальные условия
2.3. Результаты моделирования выключения разряда токамака Т-10 [5, 6,8]
2.3.1. Моделирование без учёта эффекта "ускоренного" переноса
2.3.2. Моделирование с учётом эффекта "ускоренного" переноса
2.3.3. Моделирование генерации убегающих электронов
2.4. Моделирование гашения разряда ИТЭР [1,2]
2.4.1. Инжекция одиночной Кг пеллеты
2.4.2. Инжекция очереди Кг пеллет
2.4.3. Моделирование генерации убегающих электронов
2.4.4. Обсуждение результатов моделирования гашения разряда ИТЭР
3. Исследование надтепловых электронов в стеллараторе W7-AS методом неллет инжекцни
3.1. Инжекция примесных пеллет в установку W7-AS [7,10,18]
3.1.1. Стелларатор W7-AS
3.1.2. Система примесной пеллет-инжекции стелларатора W7-AS
3.1.3. Система регистрации пеллетных облаков
3.1.4. Методика определения скорости испарения углеродных макрочастиц в плазме стелларатора W7-AS
3.2. Исследование испарения углеродных макрочастиц в различных режимах стелларатора W7-AS [7, 10,12-18]
3.2.1. Классификация режимов испарения углеродных макрочастиц в плазме стелларатора W7-AS
3.2.2. Анализ мгновенных фотографий облака испаряющейся макрочастицы в момент узколокапизованного повышенного испарения
^ 3.2.3. Исследование условий возникновения зон узколокапизованного повышенного
испарения
Моделировалось выключение ВРР режима ИТЭР (см. Табл. 1.2), при этом основное внимание уделялось расчету популяции убегающих электронов в процессе гашения. В систему уравнений входили: 1) уравнение баланса тепла плазмы, в качестве источников рассматривались омический нагрев и нагрев за счет реакций синтеза, сток - радиационные потери за счет излучения примеси, вычислялись, как и в предыдущем случае, по модели коронального равновесия [82]; 2) уравнение Максвелла для тороидального электрического поля, проводимость полагалась неоклассической [85]; 3) Уравнение Фокера-Планка для расчета тока убегающих электронов также с учетом эффекта лавины [84], в качестве источника генерации убегающих электронов рассматривалось жесткое (с энергией порядка 1 МэВ) излучение у-квантов с активированной первой стенки установки, который, по мнению авторов, должен быть наиболее существенным в условиях ИТЭР. Начальное распределение примеси вдоль малого радиуса при расчете эволюции параметров плазмы полагалось пропорциональным профилю плотности электронов.
Моделирование производилось для различных количеств инжектированной примеси. В качестве излучающей примеси рассматривались Хе, Ие, Ве, Не, а также ГЭг. В эволюции параметров плазмы выделялись две основные стадии - стадия вывода тепловой и магнитной энергий. Временная протяженность процесса гашения разряда, существенно зависящая от количества инжектированной примеси и от её излучательной способности (сорта), изменялась в пределах 0.1-10 с. В начале эволюции отмечено формирование на периферии плазмы узкого слоя с высокими радиационными потерями. Электрическое поле в этой зоне максимально за счет индукционного роста, поэтому основная генерация убегающих электронов идет в этом слое. Зона движется от периферии плазмы к её центру, при этом скорость вывода тока не высока, так как он вытесняется в центральную горячую область плазмы. Таким образом, происходит сжатие плазменного шнура, в финальной стадии большая часть тока собирается в центре, где и происходит его вывод за счет иереизлучения энергии примесью.
В работе сделан вывод, что только инжекцня материалов с низким зарядом ядра типа Э или Не может привести к безопасному выключению разряда без генерации убегающих электронов. Для гашения разряда ИТЭР было предложено вводить в разряд 20-100 г замороженного дейтерия.
Сопоставления результатов расчетов гашения разряда по данной модели с экспериментальными данными, полученными на существующих токамаках (см. п. 1.2.3), не проводилось. Также отметим, что модель не учитывает ряд существенных (факторов, по нашему мнению, способных значительно повлиять на полученные результаты. Л именно, в