Численное моделирование динамики энергичных частиц в плазме токамака

• Автор: Алейников, Павел Борисович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. Моделирование нейтральной инжекции
1.1. Нагревный пучок
1.1.1. Геометрия инжекции нагревного пучка
1.1.2. Формирование пучка в инжекторе ИТЭР
1.1.3. Монте-Карло моделирование источника нейтралов
1.1.4. Ионизация пучка в плазме
1.1.5. Тепловые нагрузки на первую стенку
1.1.6. Редуцированные модели источника быстрых ионов
1.1.7. Графический интерфейс
1.2. Сравнительные расчеты нагрева и генерации тока при инжекции нейтралов в ИТЭР
1.3. Вариации нагрева и генерации тока в ИТЭР в зависимости
от энергии инжекции
1.4. Потери нагревного пучка на возмущениях магнитного поля
1.5. Заключение
ГЛАВА 2. Применение модели к диагностическим пучкам
2.1. Параметры расчетов
2.2. Параметры диагностического пучка ИТЭР
2.3. Результаты расчетов
2.3.1. БТ-плазма
2.3.2. Диагностический пучок с повышенной расходимостью

ГЛАВА 3. Моделирование функции распределения быстрых ионов для нужд КРА диагностики
3.1. Алгоритм и параметры расчетов
3.2. Результаты расчетов
ГЛАВА 4. Моделирование убегающих электронов
4.1. Кинетическое моделирование
4.1.1. Кинетическое уравнение для убегающих электронов
4.1.2. Результаты моделирования
4.2. Расчет тепловых нагрузок на первую стенку, создаваемых убегающими электронами при срывах разряда в ИТЭР
4.2.1. Описание численной модели
4.2.2. Тепловые нагрузки на первую стенку ИТЭР из-за потерь УЭ
4.2.3. Радиальный перенос УЭ на МГД возмущениях
Заключение
Список иллюстраций
Список таблиц
Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ
Моделирование динамики энергичных частиц в плазме токамака с учетом возмущений магнитного поля является актуальной задачей физики токамаков. Нарушения аксиальной симметрии магнитного поля могут привести к дополнительному радиальному переносу и потерям надтепловых ионов из плазмы, к искажению их функции распределения, а также к существенному перераспределению тепловых нагрузок на элементы первой стенки, обусловленных потерями энергичных частиц. Особенную важность моделирование динамики быстрых частиц в присутствии трехмерных возмущений магнитного поля приобретают в связи с сооружением Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.
Настоящая работа посвящена численному моделированию динамики энергичных частиц в плазме токамака. Термин "энергичные"в данном случае означает, что мы рассматриваем частицы с энергиями, существенно превышающими температуру плазмы. К таким энергичным частицам относятся заряженные продукты термоядерных реакций, быстрые ионы, образуемые в плазме при инжекции пучков высоко энергичных нейтралов или ускоряемые при помощи волн ИЦР диапазона частот, а также релятивистские, т.н. "убегающие|,электроны (УЭ), образующиеся при срывах разряда в токамаке.
Удержание энергичных частиц в токамаке имеет принципиальное значение для создания на его основе термоядерного реактора. Так, в сооружаемом в настоящее время крупнейшем международном токамаке ИТЭР термализация образующихся в БТ реакциях альфа-частиц долж-

усреднены с шагом 2,5 секунды, что превосходит время торможения.
На рисунке 1.16 сравниваются профили захвата 5/, плотности п/, мощности, передаваемой электронам и ионам (объемная+примеси) плазмы, Ре, Pi, плотность тока пучка jf, NB продольный ток jnb и вносимый момент. По оси абсцисс ртоп ~ нормированный малый радиус (корень из тороидального потока). DRIFT, OFMC и АССОМЕ считают Sf для точки ионизации, тогда как в NUBEAM и NEMO учтена лармо-ровская поправка для расчета начального положения движущего центра. DRIFT, OFMC, АССОМЕ и NUBEAM показывают очень близкие профили захвата. Профиль NEMO соответствует им, но пик сдвинут в р ~ 0,2 в результате немного отличающегося используемого равновесия.
Для того чтобы явным образом выделить влияние используемых в различных моделях сечений ионизации, были выполнены расчеты профиля захвата пучка для упрощенной геометрии инжекции, - отдельный луч в DRIFT и узкий пучок диаметром 1 см в АССОМЕ и NUBEAM (см. рис. 1.17). Видно, что аппроксимационная формула Янева и данные, используемые в NUBEAM, дают весьма близкие результаты. Различие в пике при р ~ 0, 2 скорее всего проявляется по причине сглаживания, используемого в NUBEAM. Различия в расположении пика также связаны с грубостью радиальной сетки (во всех кодах, кроме ASTRA, в качестве радиальной координаты выбирался нормированный полоидальный поток, при этом на центральную область шнура приходится 3-4 точки).