авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Исследование изотопных эффектов и дополнительного нагрева плазмы в токамаках по потокам атомов перезарядки (

-- [ Страница 1 ] --

Учреждение Российской академии наук

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

_______________________________________________________________________________

На правах рукописи

ЧЕРНЫШЕВ Федор Всеволодович

Исследование изотопных эффектов

и дополнительного нагрева плазмы в токамаках

по потокам атомов перезарядки

(специальность 01.04.08 - физика плазмы)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук

Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН ( Санкт-Петербург)

Официальные оппоненты:

- доктор физ.-мат. наук, профессор В.С. Стрелков

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт” (Москва)

- доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник В.Ю. Сергеев

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (Санкт-Петербург)

- доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник А.Н. Савельев

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (Санкт-Петербург)

Защита состоится <_2_> _____февраля_____ 2012 г. в ___14:00____ часов на заседании диссертационного совета Д 002.205.03 при Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе

Автореферат разослан <___ > _________________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.205.03,

кандидат физ.-мат. наук А.М. Красильщиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Работа, результаты которой, представлены в данной диссертации, была начата в 1985 году. В это время исследования в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза (УТС) вступили в новую фазу: правительствами ведущих государств было принято решение о создании международного экспериментального термоядерного реактора. Приблизительно к этому же моменту времени была выработана концепция осуществления реакции синтеза в термоядерном реакторе, созданном на основе токамака – установки с магнитным удержанием плазмы. Эта концепция содержала два важных условия: во-первых, использование в качестве «горючего» смешанной дейтериево-тритиевой плазмы, а, во-вторых, применение на стадии поджига термоядерной реакции нескольких методов нагрева плазмы. Необходимо отметить, что данная концепция не претерпела больших изменений вплоть до настоящего времени. Реакция синтеза дейтерий-тритий и на сегодняшний день считается наиболее легко осуществимой с точки зрения современных технологий. Что касается различных методов нагрева, то после апробации их разновидностей оказалось, что наиболее перспективными для достижения термоядерных температур плазмы являются инжекция нейтральных атомов (НИ) и ионный циклотронный нагрев (ИЦН). Оба эти метода планируется использовать для нагрева плазмы в токамаке-реакторе ИТЭР, строительство которого начато в исследовательском центре Кадараш (Франция) в 2008 году.



Одновременно с выработкой общей концепции осуществления УТС возник ряд актуальных задач, некоторые из которых могли быть решены только средствами корпускулярной диагностики плазмы, т.е. диагностики, основанной на регистрации и анализе выходящих из плазмы потоков атомов, возникающих при перезарядке ионов. Эти задачи можно кратко сформулировать следующим образом:

  1. Разработка методики определения изотопного состава смешанной плазмы по потокам атомов перезарядки, и использование данной методики для управления соотношением изотопов в плазме. Актуальность этой задачи была непосредственно связана с проблемой регулирования соотношения дейтерия и трития в токамаке-реакторе для обеспечения оптимального режима термоядерного горения.
  2. Создание диагностической аппаратуры – анализаторов атомных частиц нового поколения с высоким массовым разрешением, предназначенных для одновременной регистрации потоков частиц нескольких масс. Актуальность данной задачи заключалась в том, что аппаратура, имевшаяся к началу настоящей работы, не обладала этими возможностями.
  3. Исследование воздействия дополнительных методов нагрева (ИЦН и НИ) на ионный компонент плазмы, поскольку многие аспекты, связанные с нагревом ионов, не были достаточно полно изучены и требовали проведения дополнительных исследований. При этом обширный материал мог быть получен на малых токамаках, где при относительно небольшой полной мощности нагрева (~ 100 кВт) значение удельной мощности достигали такого же уровня, как и на крупных установках (~ 1 Вт/см3). Поэтому особенности нагрева плазмы во многом совпадали как для малых, так и для больших установок и результаты, полученные на малых токамаках, могли быть экстраполированы на более крупные установки, в том числе и на токамак-реактор. Особый интерес представляли исследования оптимизации условий ввода мощности ИЦН и НИ в плазму и изучение параметрических зависимостей эффективности ее нагрева.
  4. Исследование нагрева плазмы в токамаках с малым аспектным отношением (т.е. токамаков с низким отношением большого и малого радиусов тороидальной камеры). Актуальность этой задачи объясняется тем, что такие токамаки обладают рядом существенных преимуществ перед традиционными тороидальными установками [i]. Наиболее важное из преимуществ токамаков с малым аспектным отношением заключается с точки зрения УТС в относительно низких затратах на их строительство. В связи с этим установки с малым аспектным отношением (в частности сферические токамаки) рассматриваются, как одни из кандидатов для создания на их основе термоядерного реактора. При этом наиболее важным направлением исследований для этих установок является изучение удержания и термализации быстрых частиц, возникающих при применении дополнительного нагрева плазмы.

Цель настоящей работы заключалась:

  • В разработке серии анализаторов атомных частиц нового поколения и создании на их основе комплексов корпускулярной диагностики, необходимых для проведения опытов по управлению изотопным составом плазмы и для изучения дополнительного нагрева плазмы.
  • В создании методики управления изотопным составом плазмы по потокам атомов перезарядки и демонстрации возможности ее применения на практике.
  • В исследовании нагрева ионного компонента плазмы и удержания быстрых частиц, возникающих при применении дополнительных методов нагрева, в токамаках с малым аспектным отношением.

Научная новизна работы состоит в том, что в результате ее выполнения:

  • Разработан и создан новый тип анализаторов атомных частиц АКОРД, предназначенный для регистрации атомов перезарядки, поступающих из плазмы. Анализатор данного типа является первым прибором, в котором реализована, так называемая, схема двумерной пространственной дисперсии частиц по массе и энергии [11]. В результате этого нововведения анализатор обладает высокой массовой селективностью и позволяет одновременно регистрировать потоки водорода и дейтерия. Схема двумерной дисперсии впоследствии была использована в устройстве других типов анализаторов [ii-iv], в том числе аппаратуры, разрабатываемой в настоящее время для диагностики плазмы в токамаке-реакторе ИТЭР [70].
  • Разработана методика управления изотопным составом плазмы по потокам атомов перезарядки. На токамаке COMPASS-C впервые произведены эксперименты по поддержанию соотношения водород-дейтерий в плазме на заданном уровне с помощью анализатора атомных частиц.
  • Впервые в практике отечественных исследований произведено изучение параметрических зависимостей нагрева ионов в токамаках с малым аспектным отношением (т.е. токамаков с низким отношением большого и малого радиусов тороидальной камеры).
  • Зарегистрированы рекордные значения температуры ионов для установок ТУМАН-3М и Глобус-М (360 и 650 эВ соответственно), достигнутые в режиме пучкового нагрева плазмы.
  • Обнаружен эффект ИЦН ионов в токамаках с малым аспектным отношением в широком диапазоне содержания водорода в дейтериевой плазме (10-75%). Данный результат получен впервые при реализации схемы нагрева смешанной плазмы на частоте ионного циклотронного резонанса для легкого ионного компонента.
  • Впервые показано, что одним из основных факторов, ограничивающих эффективность дополнительного нагрева плазмы в токамаках с низким аспектным отношением, являются высокие потери быстрых ионов.

Практическая значимость работы заключаются в том, что в результате ее выполнения разработан новый тип анализаторов атомных частиц – АКОРД. Всего создано 11 анализаторов этой серии, которые вошли в состав диагностических комплексов токамаков ТУМАН-3(М), Глобус-М (Россия), COMPASS-C(D), START (Великобритания), COMPASS-D (Чехия) и стеллараторов TJ-II (Испания), W7-AS(X) (Германия). Их применение на перечисленных установках позволило получить ряд важных научных результатов, по контролю изотопного состава плазмы, нагреву ионов и удержанию быстрых частиц, возникающих при применении дополнительных методов нагрева плазмы. Эти результаты продемонстрировали возможность управления изотопным составом плазмы по потокам атомов перезарядки, а также дали основание сформулировать рекомендации по повышению эффективности дополнительных методов нагрева плазмы и снижению потерь быстрых частиц в токамаках с малым аспектным отношением.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Разработка многоканальных атомных анализаторов с высокой массовой селективностью и возможностью одновременного измерения потоков и энергетических распределений атомов водорода и дейтерия, испускаемых плазмой.
  2. Создание комплексов корпускулярной диагностики с применением разработанных анализаторов на отечественных и зарубежных токамаках: ТУМАН-3(М), COMPASS-C(D), Глобус-М.
  3. Разработка методики управления изотопным составом плазмы по потокам атомов перезарядки.
  4. Проведение исследований на основе анализа потоков атомов, поступающих из плазмы при применении дополнительных методов нагрева (нейтральной инжекции и на частоте ионного циклотронного резонанса):
  • нагрева ионного компонента плазмы,
  • удержания и термализации ионов высоких энергий E > (5-10) Ti.

Апробация работы и публикации. Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах лаборатории Процессов атомных столкновений и лаборатории Физики высокотемпературной плазмы ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Калемской лаборатории (Великобритания), Институте физики плазмы в Грейфсвальде (Германия), представлялись на конкурсе лучших работ ФТИ им. А.Ф. Иоффе (премия ФТИ 2006 года), а также на всероссийских и международных совещаниях и конференциях:

  • Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы (Алушта-1986);
  • Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород-2003, Звенигород-2004, Звенигород-2005, Звенигород-2006, Звенигород-2007, Звенигород-2008, Звенигород-2009, Звенигород-2010);
  • European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (Budapest-1985, Madrid-1987, Cavtat-1988, Venice-1989, Berlin-1991);
  • ITER Meeting on Generic Access Routes for Diagnostic (Garching1994);
  • EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (St.Petersburg-2003, London-2004, Tarragona-2005, Rome-2006, Warsaw-2007, Hersonissos-2008, Sofia-2009, Dublin-2010);
  • IAEA Fusion Energy Conference (Vilamora-2004, Chengdu-2006);
  • International Congress on Plasma Physics (Nice-2004);
  • International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta-2004);
  • Joint Meeting of IAEA Technical Meeting on Spherical Tori and International Workshop on Spherical Torus (St. Petersburg-2005);
  • International Seminar “Experimental Capabilities of KTM Tokamak and Research Programme” (Astana-2005);
  • International Workshop on Burning Plasma Diagnostics (Varenna-2007).

Основное содержание диссертации опубликовано в 71 научной публикации, 14 из них – статьи в рецензируемых журналах.





Личный вклад автора. Все новые результаты, изложенные в диссертации, получены при личном участии автора. При этом автору принадлежит определяющая роль в разработке новых атомных анализаторов, представленных в работе, как на стадии их проектирования, так и в экспериментах по их калибровке и применении на плазменных установках. Автор принял активное участие в запуске комплексов корпускулярной диагностики на токамаках ТУМАН-3, ТУМАН-3М, Глобус-М (Россия); COMPASS-C, COMPASS-D (Великобритания). При непосредственном участии автора были подготовлены и проведены эксперименты по управлению изотопным составом плазмы на токамаке COMPASS-C. Основные результаты, касающиеся исследований параметрических зависимостей нагрева ионов в токамаках с малым аспектным отношением (ТУМАН-3(М), Глобус-М) были получены лично автором. Он также принял активное участие в экспериментах, направленных на изучение потерь быстрых частиц, возникающих при применении дополнительных методов нагрева на этих установках.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 332 страницы, включая 111 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 243 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулированы актуальность и научная значимость темы, обоснована постановка задачи исследований и сформулирована их основная цель, а также представлены основные положения, выносимые на защиту, и обрисована структура диссертации.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященный диагностическим методам определения изотопного состава плазмы, а также дополнительным методам ее нагрева (НИ и ИЦН).

В параграфе 1.1 дан обзор основных диагностических методов определения изотопного состава плазмы, имеющихся на настоящий момент. Изложены физические принципы и особенности применения методов спектроскопии (разд.1.1.1), нейтронной спектрометрии (разд.1.1.2), а также ВЧ рефлектометрии (разд.1.1.3) и коллективного томсоновского рассеяния (разд.1.14) для определения соотношения изотопов. Сформулированы достоинства и недостатки методов. Показано, что спектроскопия позволяет определять изотопный состав лишь в поверхностном слое плазмы, а нейтронная спектрометрия изотопного состава является интегральным методом и имеет ограничения в точности, связанные с различием потоков DD и DT нейтронов на два порядка. Что касается ВЧ рефлектометрии и коллективного томсоновского рассеяния, то эти методы находятся на стадии разработки и широкого применения пока не имеют. Делается вывод о том, что анализ потоков атомов перезарядки является сейчас практически единственным методом, позволяющим надежно определять изотопный состав во внутренних областях плазмы.

В параграфах 1.2 и 1.3 представлены основные аспекты применения методов НИ и ИЦН плазмы.

В параграфе 1.2, посвященном НИ, рассмотрен принцип работы инжекторов нейтральных атомов и области их применения, а также приведены их основные характеристики. В разделе 1.2.2 представлены наиболее важные процессы, приводящие к ионизации пучка атомов. Проводится анализ возможных каналов потерь мощности при использовании НИ – потерь на пролет (потерь, связанных с атомами пучка, пролетевшими через плазму без ионизации), орбитальных потерь (потерь, связанных с ионизовавшимися атомами пучка, попавшими на орбиты, выходящие за пределы плазмы) и потерь за счет перезарядки. В разделе 1.2.3 кратко изложены основы теории торможения быстрых ионов, образовавшихся после ионизации нейтрального пучка, рассмотрены особенности нагрева плазмы и формирования функции распределения быстрых частиц по энергии, приведен вид функции распределения, полученный в результате аналитического решения уравнения Фоккера-Планка [v]. Эти данные используются в главе 4 диссертации при анализе функции распределения ионов надтепловых энергий и изучении нагрева ионного компонента плазмы в экспериментах по НИ на токамаках ГлобусМ и ТУМАН-3М. В заключительной части параграфа перечислены основные достижения по пучковому нагреву на плазменных установках (разд. 1.2.4).

В параграфе 1.3, посвященном ИЦН, кратко изложены вопросы теории распространения и поглощения волн в плазме в диапазоне частот ионного циклотронного резонанса (ИЦР) (разд. 1.3.1). Рассмотрено два случая – когда плазма состоит из ионов одного сорта, и при наличии в плазме ионов малой добавки. Перечислены процессы, влияющие на формирование функции распределения ионов по энергии при схеме ИЦН плазмы через ионы малой добавки (разд. 1.3.2). В разделе 1.3.3 дана краткая характеристика процессов ускорения, потерь, торможения и изотропизации ионов малой добавки. Приведен вид функции распределения ионов добавки, полученный в рамках модели Стикса [vi]. Эти данные используются в главе 3 диссертации при изучении нагрева ионного компонента плазмы и анализе поведения ионов надтепловых энергий в экспериментах по НЦН на токамаках ТУМАН-3 и Глобус-М. В конце параграфа приведен обзор современного состояния экспериментальных работ в области ИЦН.

Вторая глава посвящена методике определения изотопного состава плазмы по потокам атомов перезарядки. В начале главы (параграф 2.1) кратко изложены физические принципы корпускулярной диагностики плазмы и представлены основные идеи, на которых основана методика определения изотопного состава. Показано, что в случае равновесной плазмы невысокой интегральной плотности (<ne> a < 1019 м-2, где <ne> – среднехордовая плотность плазмы, a – малый радиус плазмы), между отношением плотности ионов водорода и дейтерия в плазме и отношением потоков атомов этих изотопов, выходящих из плазмы, имеется линейная связь:

.

Здесь nH, nD – плотности ионов водорода и дейтерия в центральной области плазмы, Hcx(E), Dcx(E) – потоки атомов водорода и дейтерия с энергией E. Это позволяет, используя достаточно простую методику, развитую в настоящей работе, определять изотопный состав центральной области такой плазмы по потокам атомов перезарядки надтепловой области энергий (E > (2-3)Ti). Представлено несколько способов реализации этой методики.

Параграф 2.2 посвящен аппаратуре – анализаторам атомных частиц. Обозначена основная проблема, которая имелась к моменту начала данной работы, связанная с низкой способностью имевшейся аппаратуры (пятиканальный и десятиканальный анализаторы) разделять частицы по массе. Указано, что значение коэффициента подавления частиц соседней массы в этих приборах при разделении водорода и дейтерия составляло величину около 1:10. Это снижало точность определения изотопного состава плазмы, которая находилась на уровне ~ 10 %, что существенно ограничивало применимость этой методики. Сформулирована задача создания нового прибора, обладающего высокой массовой селективностью.

В разд. 2.2.1 рассмотрены особенности разделения частиц по массе в анализаторах атомов. Показано, что для пятиканального и десятиканального анализаторов атомов низкая массовая селективность обусловлена их конструкцией [3,13].



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.