Разработка и применение метода исследования изотопного состава высокотемпературной водородной плазмы по потокам выходящих атомов

• Автор: Миронов, Максим Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ИЗОТОПНОГО СООТНОШЕНИЯ В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКОВ
1.1. Спектроскопия Ha/Da/Ta-линий изотопов водорода
1.2. Спектрометрия d-d и d-t термоядерных нейтронов
1.3. Диагностика коллективного томсоновского рассеяния
1.4. Ион-ионная рефлектометрия
1.5. Диагностика но потокам нейтральных частиц
ГЛАВА II. АНАЛИЗАТОР НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ISEP
2.1. Отличительные особенности анализатора I SEP
2.2. Конструкция и принцип работы анализатора
2.3. Численное моделирование параметров анализатора
2.4. Проверка основных характеристик прибора в калибровочных экспериментах
2.4.1. Испытание ускорительного узла
2.4.2. Проверка магнитных и электрических свойств диспергирующей системы
2.4.3. Измерение параметров детекторов и их чувствительности к нейтронному и гамма излучениям
2.4.4. Энергетические настройки анализатора и эффективность регистрации атомов
ГЛАВА III. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ АТОМОВ
ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В ТЕПЛОВОЙ ОБЛАСТИ ЭНЕРГИЙ
3.1. Механизмы образования потоков нейтральных частиц
3.1.1. Образование «пассивных» потоков атомов перезарядки
3.1.2. Образование «активных» потоков атомов перезарядки
3.2. DOUBLE-MC - программа моделирования тепловых потоков методом Монте-Карло
ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ АНАЛИЗАТОРА ISEP НА УСТАНОВКЕ 1ЕТ(ВЕЛИКОБРИТАНИЛ)
4.1. Измерение изотопного соотношения
4.1.1. Омический режим плазмы
4.1.2. Плазма в режиме дополнительного нагрева с помощью инжекции мощного нейтрального пучка
4.2. Энергетические спектры изотопов водорода при ионно-циклотронном нагреве плазмы
4.3. Изучение переноса трития в экспериментах с напуском
тритиевого газа в дейтериевую плазму
4.3.1. Отличительные особенности экспериментов по напуску
трития в дейтериевую плазму
4.3.2. Поведение нейтральных потоков при газонапуске. Обнаружение эффекта увеличения времени нарастания потоков атомов трития
с ростом их энергии
4.3.3. Интерпретация и численное моделирование обнаруженного эффекта. Определение транспортных коэффициентов трития
ГЛАВА V. Перспективы диагностики по потокам атомов перезарядки для определения изотопного состава топлива в термоядерных реакторах-токамаках
5.1. Численное моделирование тепловых спектров атомов изотопов водорода в экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР
5.2. Каким может стать прибор для управления изотопным составом топлива в промышленном реакторе DEMO
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время исследования в области управляемого термоядерного синтеза вплотную подошли к этапу создания термоядерных установок с положительным выходом энергии. В настоящее время усилиями нескольких стран, в том числе и Российской Федерацией, начато строительство крупнейшего в мире токамака - первого международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР [1]. Эта установка должна продемонстрировать технологическую возможность производства термоядерной энергии в промышленных масштабах.
В качестве термоядерного топлива в реакторе Р1ТЭР будет использоваться двухкомпонентная смесь равных долей дейтерия и трития. Удельная мощность Q выделяемой термоядерной энергии в установке, работающей на двухкомпонентном топливе, пропорциональна произведению концентраций обоих ионов:
0~пс1п,<оу>(Т) (А.1)
где па — плотность дейтерия, п, — плотность трития, а < оу> - скорость реакции термоядерного синтеза о'-/ в плазме с температурой Т. Если ввести величину изотопного соотношения плазмы х=пс/п, и рассматривать плазму без дополнительных примесей, то выражение для Q можно переписать следующим образом
О ~ 4х/(1 +х)2 (п/2)2 < о’>(Т) ■ (А.2)
из чего видно, что в двухкомпонентной плазме количество выделяемой энергии зависит не только от плотности и температуры плазмы, но и от ее изотопного состава. Причем в области максимальных значений £?, достигаемых при равном количестве дейтерия и трития, зависимость от состава топлива достаточно слабая, так как изменение (2, связанное с небольшим уменьшением плотности одного компонента практически компенсируется увеличением плотности другого. Это осложняет процесс управления плазменным разрядом. Предположим, что по какой-либо причине концентрация дейтерия начала

Рис.2.1. Схема устройства анализатора ШЕР. 1 - входная диафрагма; 2 -механизм сменяемых диафрагм; 3 - вспомогательный калибровочный детектор; 4 - обдирочная пленка; 5 - выходная диафрагма; 6 - светодиод; 7 -юстировочный лазер; 8 - датчик Холла; 9 - электромагнит; 10 -электростатический дефлектор; 11 - фланец с 32-мя детекторами