Взаимодействие водородных макрочастиц с плазмой токамаков

• Автор: Кострюков, Артем Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 151 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДНЫХ МАКРОЧАСТИЦ С ПЛАЗМОЙ ТОКАМАКОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Общая картина взаимодействия пеллета с плазмой токамака
1.2. Модели испарения водородных пеллетов
1.2.1. Общий подход к расчету испарения пеллета в плазме
1.2.2. Модели нейтрального экранирования
1.2.3. Плазменное экранирование
1.2.4. Электростатическое экранирование
1.2.5. Магнитное экранирование
1.3. Испарение пеллетов в особых условиях
1.3.1. Модели испарения пеллетов в плазме с допоппителънът МВ1 нагревом
1.4. Обзор моделей испарения
1.5. Тороидальное ускорение пеллетов
1.6. Экспериментальные данные об испарении пеллетов
1.6:1. Общие измерения
1.6.2. Измерения характеристик облака вокруг пеллета
1.6.3. Сопоставление существующих экспериментов с моделями испарения
1.7. Выводы из обзора литературы и постановка задачи
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПАРЕНИЯ МАКРО ЧАСТ I
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ N61 НАГРЕВОМ [25]
2.1. Эксперименты по инжекции водородных макрочастиц в разряды с N81 нагревом. Результаты моделирования испарения по модели Паркса
2.2. Модель взаимодействия водородной макрочастицы с плазмой ТОКАМАКА ПРИ дополнительном N81 НАГРЕВЕ
2.2.1. Распределение быстрых ионов
2.2.2. Потенциал облака
2.2.3. Проникновение потока тепла сквозь нейтральное облако
2.2.4. Расширение облака
2.2.5. Расчет скорости испарения
2.2.6. Скейлинг для расчета скорости испарения
2.2.7. Дополнительный перепад потенциала в нейтральном облаке вблизи поверхности пеллета
2.3. Результаты моделирования испарения пеллетов по предложенной модели
2.4. Обсуждение результатов и выводы
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ ИСПАРЕНИЯ ПЕЛЛЕТОВ ПРИ МНОГОКРАТНОЙ ИНЖЕКЦИИ В А8ИЕХ-11РСКАИЕ [33]
3.1 Схема и результаты эксперимента
3.1.1. Схема эксперимента
3.1.2. Результаты эксперимента
3.2. Сравнение экспериментальных результатов с модельным расчетом
3.3. Анализ возможных причин аномального испарения и сдувания
3.3.1. Модификация профшя плотности тока проводимости и бутстрэп-тока
3.3.2.. Радиальное торможение пеллетов
3.3.3.. Движение магнитных поверхностей
ЗА. Эффект роста числа убегающих электронов
3.5. Обсуждение результатов и выводы
4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОБЛАКА ИСПАРЯЮЩЕЙСЯ МАКРОЧАСТИЦЫ [56]
4.1. Схема эксперимента
4.2. Характерные особенности распределения интенсивности излучения облака
4.3. Анализ структуры светящегося облака
4.3.1. Измерение излучения в облаке испаряющейся макрочастицы
4.3.2. Оценки структуры облака по модели нейтрального экранирования [7J
4.4. Обсуждение результатов и выводы
5. ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЛАКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ ИСПАРЕНИЯ МАКРОЧАСТИЦЫ В ТОКАМАКЕ Т-10 [35]
5.1. Параметры токамака Т-10 и аппаратуры для пеллет инжекции
5.2. Схема эксперимента, оптическая схема для фотографирования облака, процедура ее калибровки
5.2.1. Схема эксперимента
5.2.2. Оптическая схема
5.2.3. Калибровка оптической схемы
5.3. Физические основы спектроскопических измерений в облаке испаряющейся макрочастицы
5.4. Результаты эксперимента
5.5. Обсуждение результатов
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЯ

Введение
В настоящее время программа реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС) в установках типа “токамак” [1] вышла на финишную прямую.
Одной из важных проблем в программе УТС остается создание эффективной системы ввода топлива в плазму токамака. На всех современных экспериментальных установках для ввода вещества в плазму используется напуск газа с периферии плазмы. В тоже время развивается метод инжекции в плазму топливных таблеток (макрочастиц, пеллетов), состоящих из замороженных до твердого состояния изотопов водорода [2]. Водородные или дейтериевые макрочастицы размером 0.5-5 мм инжектируются со скоростью Ур = 0.2-2.5 км/с в направлении центра плазменного шнура радиусом а до 120 см с температурой электронов Те до 3 кэВ и концентрацией электронов пе до Зх1014см’3. Под действием потоков тепла из плазмы токамака поверхность пеллета нагревается и затем испаряется за время порядка 100-500 мкс, за которое пеллет успевает пролететь 10-100 см. Инжекция макрочастиц позволяет более эффективно доставлять вещество в центральную часть плазмы, где должна происходить термоядерная реакция. Эффективность топливного цикла при инжекции таблеток определяется глубиной их проникновения в плазму, т.е. расстоянием от периферии плазмы, где начинается испарение, до точки, где таблетка полностью испарится. Важно также изменение скорости испарения таблетки по мере ее проникновения в плазму. Поэтому, для проектирования системы ввода топлива необходима модель взаимодействия макрочастиц с горячей плазмой токамака. Такая модель должна предсказывать скорость испарения макрочастиц, в зависимости от параметров плазмы и макрочастицы (ее скорости, размера и материала).
Большая часть предложенных моделей рассматривает ситуацию в максвелловской плазме, где испарение определяется, в основном, электронами плазмы. В то же время, экспериментально показано, что при инжекции макрочастиц в плазму с дополнительным нагревом пучком высокоэнергетичных атомов (N61 нагревом) быстрые ионы, появляющиеся в плазме, существенно влияют на испарение. Немногочисленные модели [3, 4], анализирующие влияние

В ряде случаев наблюдались облака с очень большим продольным размером. Так, при инжекции пеллетов в АЗОЕХ-Тгабе и ТЕК [38] в режим с ЕСЮГ нагревом Ь\ превысил 25 см. В экспериментах на токамаке ЛРР Т-1Ш [39] при прохождении оси инжекции через центральную часть плазмы наблюдалось резкое увеличение Ц как в омическом режиме, так и при НВ1 нагреве.
В ряде экспериментов спектроскопическими методами измерялись температура и концентрация в светящейся части облака. В таблице 1 приведены основные параметры установок, где проводились эксперименты. Таблица 2 поясняет измеренные значения концентрации и температуры облака.
Как видно, температура светящегося облака близка к 1-2 эВ, а концентрация изменяется в широком диапазоне, достигая величин порядка 1017 см'3 при испарении пеллета в плазме с температурой электронов 500 эВ и их плотностью 1013 см'3.
Таблица 1.
Установка, R, см а, см в, кГс Те(0), кэВ пе(0), 1013см'3 d, 1 (мм) vP, (км/с) N, (атомов)
PLT [40] 130 40 30 1.6 2.6 1.2, 1.5 0.6-0.8 1x1020
PLT [10] 130 40 30 1.6 2.6 1.5, 1.5 0.7 1.6хЮ20
TFTR [10] 250 80 40 3.0 2.5-3 3.0, 3.4 1.3 1.4x1021
TFR [37] 98 19 40-46 1.6 2-6 0.6, 2.0 0.6 8x1018
ТЕХТ [9] 100 26 15-28 0.9 4.7 1.0, 1.0 0.7-0.8 5х1019
Т-10 [35] 150 30 24 0.9 3.5 1.0, 2.0 0.5-0.7 1 х 1020
Таблица
Установка, псь (Метод измерения) Tel, (Метод измерения)
PLT [40] 2.4х1017см"3 По показаниям монохроматора с (ехр= 100 мкс в одной точке по малому радиусу измерено Штарковское уширение линии Бад и рассчитано пС1. <2 эВ По показаниям монохроматора с texp= 100 мкс в одной точке по малому радиусу измерено отношение haIcont и рассчитано