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 |

Экспериментальное исследование равновесных параметров основной ионной компоненты и её стационарного вращения в плазме токамаков

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Романников Александр Николаевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАВНОВЕСНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНОЙ ИОННОЙ КОМПОНЕНТЫ И ЕЁ СТАЦИОНАРНОГО ВРАЩЕНИЯ В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКОВ

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Троицк 2007

Работа выполнена в Отделении физики токамаков реакторов Государственного научного центра Российской Федерации Троицкого института инновационных и термоядерных исследований и в Институте ядерного синтеза Российского научного центра «Курчатовский Институт».

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Ковальский Н.Г.

доктор физико-математических наук, профессор

Курнаев В. А.

доктор физико-математических наук

Готт Ю.В.

Ведущая организация:

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, (Санкт-Петербург)

Защита состоится «9» ноября 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета ДС 201.004.01 ГНЦ РФ ТРИНИТИ по адресу: 142190, г. Троицк, Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ТРИНИТИ.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук Казаков С. А.

  1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Изучение магнитного удержания высокотемпературной плазмы в установках типа токамак является одним из ключевых направлений исследований по программе управляемого термоядерного синтеза (УТС). Современный этап экспериментов на токамаках характеризуется, в первую очередь, поиском путей улучшения эффективности термоядерного реактора. Особую актуальность в этих условиях получили исследования поведения ионов изотопов водорода (водорода, дейтерия и трития) и скоростей стационарного вращения этих ионов в токамаке. С одной стороны, именно ионы изотопов водорода будут вступать в термоядерную реакцию, поэтому их нагрев и удержание являются определяющими для реактора. С другой стороны, в современном представлении об удержании плазмы в токамаке одну из ключевых ролей играют тороидальные и полоидальные потоки ионов на магнитных поверхностях, а так же радиальное электрическое поле. Исследование радиальных профилей температуры основных ионов плазмы, исследование влияние изотопного состава на удержание плазмы, измерение скоростей потоков основных ионов на магнитных поверхностях токамака, понимание природы формирования радиального электрического поля в токамаке – все это представляет интерес, как с точки зрения выяснения физических механизмов удержания высокотемпературной плазмы, так и для надежного предсказания рабочих режимов в условиях, характерных для будущего термоядерного реактора.

Задачей диссертационной работы является экспериментальное изучение и описание физических механизмов формирования функции распределения по энергиям основных ионов плазмы в центральных областях токамаков, а также разработка нового теоретического подхода к процессу формирования стационарного радиального профиля тороидального вращения плазмы и электрического поля.



В диссертационной работе рассматриваются три основных направления исследований:

1. Исследование влияния изотопного состава на энергетическое время жизни плазмы и исследование воздействия борсодержащих материалов, используемых для покрытия стенок и лимиторов токамаков, на изотопный состав плазмы.

2. Исследование физических механизмов формирования радиальных профилей ионной температуры дейтерия в режимах с ионно-циклотронным нагревом на малой добавке водорода, в режимах с эргодическим дивертором и в режимах с большой гофрировкой тороидального магнитного поля.

3. Экспериментальное и теоретическое исследование скоростей потоков основной компоненты плазмы (дейтерия) в тороидальном и полоидальном направлениях, скоростей потоков примесей, а также процессов формирования стационарного радиального электрического поля в плазме токамака.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Впервые проведено экспериментальное исследование поведения изотопного состава плазмы в условиях боронизованной стенки на токамаке Т-11М (Россия). Показано, что карборан на основе водорода, используемый для боронизации камеры на российских и китайских токамаках, приводит к значительному плохо контролируемому увеличению концентрации ионов водорода в дейтериевой плазме разряда.
  2. Открыта пороговая зависимость увеличения энергетического времени жизни плазмы при изменении эффективного изотопного веса ионов от 1 до 2 в экспериментах с омическим нагревом в токамаке FTU (Италия).
  3. Проведены измерения спектров потоков нейтралов перезарядки и радиального профиля температуры ионов дейтерия и водорода при, так называемом, ионно-циклотронном нагреве на малой добавке водорода в присутствии ионов бора в токамаке Т-11М. Эти измерения, впервые проведенные на токамаках, служат доказательством предсказанного ранее механизма нагрева ионов дейтерия полностью ионизованными ионами бора, которые получили энергию от ионной берштейновской волны, образованной в результате конверсии быстрой магнитозвуковой волны вблизи ион - ионного гибридного резонанса.
  4. Открыта возможность существования в токамаках радиальных профилей ионной температуры с минимумом в центре плазмы при определенных величинах запаса устойчивости на примере исследования омических разрядов в токамаке TORE-SUPRA (Франция).
  5. Впервые показано, что при работе эргодического дивертора существенно уменьшается центральная ионная температура в экспериментах на токамаке TORE-SUPRA.
  6. Получен новый эффект: влияние радиального электрического поля плазмы токамака на доплеровский сдвиг спектральных линий в методе, в котором измеряется линейчатое излучение при различных квантовых переходах возбужденных ионов, образующихся в результате перезарядки (CXRS). Этот эффект, с одной стороны, приводит к ухудшению точности измерения скорости полоидального вращения плазмы, с другой стороны, дает принципиальную возможность прямого измерения радиального электрического поля.
  7. Разработан метод измерения скорости полоидального вращения ионов дейтерия, как основной компоненты плазмы, при резких изменениях радиального электрического поля и проведены пионерские измерения скорости вращения плазмы методом корпускулярной диагностикой при L-H переходе на токамаке Т-11М.
  8. Разработан метод измерения скорости тороидального вращения ионов дейтерия, как основной компоненты плазмы, и впервые на токамаках проведены измерения скорости тороидального вращения дейтерия, используя корпускулярные анализаторы токамака TORE-SUPRA.
  9. Предложен новый теоретический подход к объяснению природы радиального электрического поля в плазме токамака. Взамен традиционного локального соотношения, связывающего радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и диамагнитный член, получено новое интегральное уравнение.

Научное и практическое значение работы:

Приведенное автором исследование поведения изотопного состава плазмы токамака Т-11М показало, что при использовании карборана для боронизации камеры и лимиторов токамака необходимо во время синтеза этого вещества, применять дейтерий вместо водорода.

Проведенное исследование зависимости энергетического времени жизни плазмы от изотопного состава привело к открытию порогового эффекта увеличения при изменении эффективного атомного веса ионов плазмы от 1 до 2 в некоторых режимах токамака. Так как отсутствует в настоящее время понимание природы «изотопического эффекта» в токамаке, этот результат может существенно упростить подходы к теоретическому объяснению данного эффекта.

Приведено экспериментальное подтверждение механизма нагрева основных ионов дейтерия полностью ионизованными ионами бора на токамаке Т-11М, что открывает возможность применения подобной схемы, с использованием ионов бериллия, в токамаке ITER.

Автором показано, что в некоторых режимах работы будущего токамака-реактора могут возникнуть условия, которые приведут к формированию радиальных профилей ионной температуры с провалом в области центра плазмы. Заметное снижение центральной температуры ионов является негативным фактором. Поэтому, в реакторе необходимо будет избегать появления подобных режимов.

Проведенное автором исследование доплеровского сдвига спектральных линий в зависимости от электрического поля при измерении методом CXRS в радиальном направлении, может служить основой нового диагностического инструмента для измерения радиального электрического поля в плазме токамака.

Разработка методики прямого измерения скоростей потоков основных ионов плазмы и впервые проведенные измерения скоростей полоидальных и тороидальных потоков, открывают новые горизонты исследования процессов формирования различных улучшенных режимов удержания плазмы токамака.

Полученное автором интегральное соотношение, связывающее радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и градиенты температуры и плотности ионов, дает новое условие равновесия плазмы в целом и позволяет связать экспериментально наблюдаемые скорости потоков плазмы с процессами удержания электронов и ионов.

Достоверность и обоснованность результатов исследований определяется проведением экспериментов в широком диапазоне параметров плазмы, сравнением особенностей поведения основных ионов плазмы в различных токамаках (Т-11М, Tore-Supra, FTU), новыми возможностями стандартных диагностических методик. Обоснованность приводимых выводов базируется на подробном анализе современных экспериментальных и теоретических исследований функций распределения основных ионов плазмы. Как указано ниже, полученные автором результаты прошли апробацию на видных российских и международных форумах, опубликованы в ведущих журналах по физике плазмы, что дополнительно свидетельствует об обоснованности и надежности результатов диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Результаты исследования поведения изотопного состава плазмы токамака Т-11М в условиях боронизованной стенки. Показано, что наряду с улучшением характеристик плазмы, карборан на основе водорода, который используется для боронизации, приводит к значительному плохо контролируемому увеличению концентрации ионов водорода в дейтериевой плазме разряда. Исследования привели к практическому результату - к необходимости замены в карборане водорода на дейтерий.
  2. Пороговая зависимость энергетического времени жизни плазмы от изотопного состава при изменении эффективного атомного веса ионов плазмы от 1 до 2 для некоторых режимов работы токамаков. На примере серии экспериментов с омическим нагревом в плазме токамака FTU была продемонстрирована данная особенность при смене рабочего газа водорода на дейтерий.
  3. Результаты исследования радиального профиля температуры ионов дейтерия и водорода при ионно-циклотронном нагреве на малой добавке водорода в присутствии ионов бора в токамаке Т-11М. Эти измерения, впервые проведенной на токамаках, служат подтверждением механизма нагрева основных ионов дейтерия полностью ионизованными ионами бора, которые получили энергию от ионной берштейновской волны, образованной в результате конверсии быстрой магнитозвуковой волны вблизи ион - ионного гибридного резонанса.
  4. Открытие существования в токамаках с большой тороидальной гофрировкой радиальных профилей ионной температуры с провалом в центре плазменного шнура (при определенных величинах запаса устойчивости) на примере исследования омических разрядов плазмы токамака TORE-SUPRA.
  5. Результаты исследования влияния работы эргодического дивертора на уменьшение ионной температуры на оси плазмы в экспериментах на токамаке TORE-SUPRA.
  6. Новый эффект, который проявляется в зависимости доплеровского сдвига спектральной линии от радиального электрического поля плазмы токамака при измерениях методом CXRS. Этот эффект, с одной стороны, приводит к ухудшению точности измерения скорости полоидального вращения плазмы, с другой стороны, дает принципиальную возможность прямого измерения радиального электрического поля.
  7. Метод измерения скорости полоидального вращения основных ионов при резких изменениях радиального электрического поля плазмы и пионерские измерения скорости вращения плазмы корпускулярной диагностикой при L-H переходе на токамаке Т-11М.
  8. Метод измерения скорости тороидального вращения основных ионов и впервые на токамаках проведенные измерения скорости тороидального вращения дейтерия в TORE-SUPRA.
  9. Новый теоретический подход к объяснению природы радиального электрического поля в плазме токамака. Взамен традиционного локального уравнения, связывающего радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и диамагнитный член, получено новое интегральное уравнение.

Апробация работы:





Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях по Физике плазмы и УТС (Yokohama-1998, Montreal-1996, Cleawode-1991), Европейских конференциях по УТС и физике плазмы (London-2004, Sankt-Peterburg – 2003, Montreux-2002, Budapest-2000, Maastricht-1999, Berchtesgaden-1997, Innsbruck-1992, Amsterdam-1990), Интернациональной Шервудской теоретической конференции по управляемому синтезу (Wisconsin-1997), Совещание технического совета по малым установкам для управляемому синтезу (Sao Paulo-2001), Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Звенигород-2007, Троицк-2003, Санкт-Петербург 1997), на Конференциях по физике плазмы и УТС РАН (Звенигород 1987, 2007), а также на семинарах ТРИНИТИ (Троицк 1984 – 2004), на семинаре ЛФТИ им. М.С.Иоффе (Санкт-Петербург 1998), на научных семинарах ИЯС РНЦ «Курчатовский Институт» (Москва 2003, 2006-2007), на научных семинарах токамака Tore-Supra (Cadarache, France, 1998-200, 2003-2005).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 42 работы, из них 12 в реферированных журналах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 225 страниц. Диссертация содержит 83 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 176 наименований.

II КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из Введения, четырех Глав и Заключения:

Во Введении дана общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы, приводится литературный обзор исследований поведения основных ионов плазмы в токамаках. Дается описание содержания диссертации и основных результатов, выносимых на защиту.

Первая глава диссертации – вводная.

В Первом параграфе этой главы излагается используемый автором подход к обоснованию, применению и ограничениям метода исследования потоков нейтралов из плазмы токамака. В основе этого подхода лежит аппроксимация пассивного потока нейтралов вдоль хорды измерения асимптотическим решением интегралов типа интеграла Лапласа. Обоснованы экспериментально реализованные возможности метода корпускулярной диагностики и показаны ограничения, которые привели в настоящее время к частичному отказу от использования потоков нейтралов для интерпретации поведения основных ионов плазмы.

Во Втором параграфе показаны схемы размещения корпускулярных анализаторов на токамаках Т-11М, FTU и TORE-SUPRA, при помощи которых были проведены все экспериментальные исследования, изложенные в диссертации. Приведены схемы конструкции анализаторов и их основные характеристики.

Во Второй главе представлены экспериментальные исследования, связанные с изотопным составом ионов плазмы на токомаках Т-11М и FTU.

В Первом параграфе кратко излагаются метод боронизации стенок токамака Т-11М карбораном (С2В10Н12) и эксперименты по изучению параметров плазмы в условиях боронизованных стенок и лимиторов. Приводятся полученные автором экспериментальные данные по изотопному составу дейтериевой плазмы после боронизации. Приведен график изменения содержания водорода в дейтериевой плазме в зависимости от числа разрядов после боронизации. Показано, что борсодержащие пленки, покрывающие камеру токамака и лимиторы, являются дополнительным плохо контролируемым источником поступления водорода в разряд. Для ионно-циклотронного нагрева на малой добавке водорода (основная экспериментальная программа, проводимая на токамаке Т-11М), подобное поведение изотопного состава не позволяет вести полноценные эксперименты по нагреву плазмы. Главный вывод данного раздела диссертации - это необходимость замены в карборане водорода на дейтерий.

Во Втором параграфе кратко представлен обзор экспериментов, связанных с так называемым «изотопическим эффектом». Далее приведено описание серии экспериментов на установке FTU по измерению зависимости энергетического времени жизни плазмы от эффективного атомного веса ионов. Показано, что существует пороговое увеличение энергетического времени жизни плазмы в области, где эффективный атомный вес рабочего газа составляет 1.4-1.6.

Третья глава посвящена исследованию радиальных профилей температуры ионов дейтерия и водорода в различных экспериментальных режимах на токамаках Т-11М и TORE-SUPRA.

В Первом параграфе представлены экспериментальные исследования радиального профиля температуры ионов дейтерия и водорода при ионно-циклотронном нагреве на малой добавке водорода в присутствии небольшой концентрации ионов бора в токамаке Т-11М. Большая эффективность нагрева по сравнению с экспериментами, проводимыми ранее, одинаковое поведение «хвостов» функции распределения ионов водорода по энергиям в старых и новых режимах и пикирование центрального профиля температуры дейтерия - служат подтверждением существования нового механизма нагрева ионов дейтерия в присутствие ионов бора

Во Втором параграфе проведены исследования радиального профиля ионной температуры дейтерия в омических разрядах на токамаке TORE-SUPRA в зависимости от различных параметров плазмы. Измерения проводились методом активной корпускулярной диагностики. Одновременно измерялся профиль температуры С5+ вдоль диагностического пучка и центральная ионная температура Cr22+. При запасе устойчивости на границе близком к 3 были открыты режимы с полыми профилями температуры дейтерия и С5+. Дано качественное объяснение этого эффекта.



Pages:   || 2 |
 

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.