Исследование электронного переноса в плазме токамака Т-10 с использованием инжекции макрочастиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

Ко СЛ 2 4 НОЯ *°Р7

На правах рукописи УДК 533.916

Капралов Владимир Геннадьевич ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКА Т-10 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНЖЕКЦИИ МАКРОЧАСТИЦ (Специальность 01.04.08. - физика и химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

С.-Петербург - 1997

Работа выполнена в С.-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, Кутеев Б.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Шнеерсон Г.А.,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лебедев C.B.

Ведущая организация - ИЯС РНЦ "Курчатовский институт"

Защита состоится ' iS'^&ûïSfffl 1997 г. в " часов на заседании диссертационного совета № Д 003.23.01 Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе по адресу: 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан "û3 " *e£>ASjpA 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного ученого совета -—

кандидат физико-математических наук "С-^ОП--

\ Орбели А.Л.

Актуальность темы. За последнее десятилетие инжекция твердоводородных макрочастиц стала одной из обязательных составляющих в системах подпитки плазмы на большинстве токамаков. Система инжекции включена в качестве основной в систему ввода топлива в проектируемый международный управляемый термоядерный реактор ITER. Интерес к инжекции макрочастиц объясняется тем, что данный способ позволяет вводить большое количество топлива в наиболее горячую центральную область плазмы, улучшая ее характеристики. Одновременно с вводом топлива в термоядерную установку появляется возможность управлять формой профилей концентрации и температуры частиц, влиять на времена удержания энергии и частиц, применять специфические методы диагностики плазмы. Наиболее полно последняя возможность проявляется при инжекции примесных макрочастиц, которые при достаточных размерах могут обеспечить также быстрое гашение разряда в опасных ситуациях.

Одной из центральных физических проблем в проекте ITER является предсказание времен энергоудержания и жизни частиц, определяющих многие инженерные параметры будущего реактора. Для правильного ответа на данный вопрос необходимо тщательное изучение процессов переноса в действующих установках. Особенно важно правильно описать реакцию плазмы на различные возмущения, среди которых инжекция является одним из наиболее существенных. Несмотря на интенсивные исследования в этом направлении, в физике процессов переноса остается много непонятных или спорных вопросов.

Проведение экспериментов требует совершенствования и развит™ техники для инжекции макрочастиц, в частности разработки собственно инжекторов и устройств для диагностики параметров макрочастиц.

Цели работы. Данная диссертация посвящена исследованию электронного переноса в плазме при инжекции макрочастиц, а также развитию техники, необходимой для подобных экспериментов.

1. Эволюция возмущений температуры и плотности при инжекции макрочастиц проанализирована с учетом взаимного влияния теплопроводности и диффузии. Показано, что при водородной инжекции, в отличие от примесной, реализуется вариант связанного переноса тепла и частиц. Показано увеличение коэффициентов переноса после инжекции и получены скейлинги для коэффициентов температуропроводности, диффузии и скорости пинчевания электронов.

полученных результатов состоит в следующем:

2. Показано, что модель самосогласованных профилей адекватно описывает эволюцию плазмы после инжекции только в случае учета фактора забывания.

3. Инициирован переход в режим с улучшенным удержанием (Ь-Н-переход Н-режим) в ЭЦРН-плазме с помощью инжекции медленной дейтериевой макрочастицы. Показано, что основное отличие от разрядов без Ь-Н-перехода состоит в месте испарения макрочастицы. Предложено использовать инжекцию по нецентральной хорде со стороны сильного магнитного поля или тангенциальную инжекцию для перехода в Н-режим ЭЦРН-плазмы.

4. Предложены новые устройства для контроля массы макрочастиц и обеспечения вакуумной коммутации в периодических инжекторах.

Практическая значимость работы.

В работе выполнено экспериментальное исследование процессов электронного переноса и оценки транспортных коэффициентов после инжекции макрочастиц. Показано, что при рассмотрении переноса тепла после инжекции водородных макрочастиц необходимо учитывать влияние на него переноса частиц. На примере модели канонических профилей показано, что инжекцию макрочастиц следует рассматривать как сильное возмущение плазмы, приводящее к "забыванию" плазмой доинжекционных каноничеких профилей. Продемонстрирована возможность инициирования перехода в Н-режим с помощью инжекции медленной макрочастицы в ЭЦРН-плазму. Предложено использовать инжекцию макрочастиц по нецентральной хорде или тангенциально для инициирования перехода в Н-режим. Отмечены явления сверхбыстрого переноса тепла при инжекции и быстрой глобальной перестройки профилей коэффициентов переноса, что говорит о необходимости дальнейшего развития моделей, учитывающих глобальные свойства процессов переноса в плазме.

Разработана аппаратура для инжекторов, позволяющая выполнять бесконтактное взвешивание макрочастиц даже в условиях их большого углового разлета, что делает возможным эксперименты по исследованию эффективности ввода топлива в токамак и создание следящих систем ввода топлива в токамак.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Исследование связанного электронного переноса тепла и частиц при инжекции макрочастиц в плазму токамака Т-10. Экспериментальные оценки коэффициентов переноса с использованием инжекции макрочастиц.

2. Результаты сравнения данных о температуропроводности х„> полученных динамическими методами между собой и с расчетом %с на основе стационарного баланса тепла и частиц.

3. Скейлинги для коэффициентов переноса х„> Ое и V. Вывод о том, что наилучшее совпадение с экспериментальными данными и полученными скешшнгами дает скейлинг Т-11 для %е.

4. Вывод о том, что при водородной инжекции связанньш перенос тепла и частиц доминирует, в то время как при примесной инжекции можно разделить транспорт тепла и частиц.

5. Результаты моделирования эволюции электронной температуры для различных разрядов после инжекции и полученные оптимальные профили хг, также лучше всего совпадающие со скенлингом Т-11.

Вывод о необходимости учета фактора забывания в модели самосогласованных профилей при описании эволюции плазмы после инжекции.

6. Обнаружение перехода в Н-режим в ЭЦРН-плазме с помощью инжекции медленной дейтериевой макрочастицы в плазму токамака Т-10. Качественное объяснение наблюдаемого перехода на основе представлений о роли градиента давления около последней магнитной замкнутой поверхности. Вывод о необходимости периферийного испарения макрочастицы и мощного ЭЦР-нагрева для инициирования Ь-Н-перехода в плазме токамака Т-10 с помощью инжекции макрочастицы. Предложение об использовании инжекции по нецентральной хорде или в тангенциальном направлении для инициирования Ь-Н-перехода.

7. Разработаны физические основы и созданы устройства для измерения параметров макрочастиц и обеспечения периодического ввода топлива.

Апробация работы.

Результаты исследований публиковались в сборниках и докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1990 - 1992), на международных конференциях по ФП и УТС (Вашингтон, 1990; Берлин, 1991; Нью-Орлеан, 1994; Борнмут, 1995), на международном совещании по проблемам переноса в плазме (Утрехт, 1991), на 5-й Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1990), а также на семинарах в СПбГТУ, ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ИЯС РНЦ "Курчатовский институт". В диссертацию включены материалы, опубликованные в 11 печатных работах и одном авторском свидетельстве на изобретение, которые были выполнены в период с 1989 по 1996 год.

с

поъе.м дисссртаиии. Диссертация содержит введение, четыре главы и заключение. В диссертации 170 страниц печатного текста, в том числе 52 рисунка, 5 таблиц и список литературы, включающий 143 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, новизна полученных результатов, изложена структура диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор литературы, посвященной исследованию процессов переноса и инжекции макрочастиц.

В 1.1 обсуждаются методы исследования процессов электронного переноса тепла в плазме. Даны понятня статических и динамических методов исследования переноса. Рассмотрены методы исследования электронного переноса тепла и определения коэффициента электронной температуропроводности на основе рассмотрения стационарного баланса тепла для электронов, использования измерений параметров пилообразных колебаний или распространения тепловой волны от внутреннего срыва, использования дополнительного нагрева или инжекции макрочастиц в плазму. В последнем случае можно исследовать как распространение волны охлаждения, так и релаксацию плазмы после инжекции. Рассмотрены также методы модулированного возмущения плазмы для исследования процессов электронного переноса тепла и частиц. В ходе изложения обсуждаются достоинства, недостатки и ограничения методов.

Параграф 1.2 является кратким введением в исследования режима улучшенного удержания в плазме токамаков (Ь-Н-переход в Н-режим). В нем описана феноменология Ь-Н-перехода, представлена гипотеза о подавлении турбулентного переноса широм полоидального вращения в Н-режиме. Отмечены эксперименты, свидетельствующие в пользу такой гипотезы. Приведена краткая классификация существующих теоретических моделей Ь-Н-перехода. В конце параграфа приводятся условия перехода плазмы в Н-режим и данные о возможности перехода в Н-режим с помощью создания сильного градиента концентрации вблизи сепаратрисы. Отмечен первьш подобный эксперимент, выполненньш на токамаке ТУМАН-3, с использованием примесной макрочастицы.

В 1.3 изложено развитие и современное состояние аппаратуры для инжекции макрочастиц. Начинается параграф с рассмотрения примесных

инжекторов макрочастиц. Затем рассматриваются простые инжекторы твердоводородных макрочастиц на примере инжекторов с in situ формированием макрочастицы, а также способы достижения максимальных скоростей инжектируемых в плазму макрочастиц. Четвертый пункт параграфа посвящен проблеме периодического ввода топлива в термоядерные установки. В отдельных пунктах рассмотрена проблема создания непрерывных экструдеров и работы с тритием. В ходе представления конструкций инжекторов приводится их сравнительный анализ.

В заключении первой главы формулируются выводы из обзора. На основании этих выводов поставлены задачи работы:

1. Экспериментальные исследования электронного переноса в плазме токамака Т-10 в омических режимах и в условиях ЭЦР-нагрева. Изучение влияния потоков частиц на перенос тепла электронами. Оценка коэффициентов переноса. Сопоставление процессов электронного переноса при инжекции примесных и водородных макрочастиц. Численное моделирование процессов переноса тепла электронами с учетом переноса частиц. Получение экспериментальных скейлингов для коэффициентов переноса в результате статистической обработки полученной базы данных.

2. Совершенствование систем для инжекции макрочастиц. Улучшение параметров диагностических устройств для контроля параметров частиц и их взвешивания.

Вторая глава посвящена развитию экспериментальной техники и описанию схемы экспериментов на токамаке Т-10.

В 2.1 представлены результаты разработки быстродействующих приводов и легкогазовых ускорителей для периодических инжекторов твердоводородных макрочастиц.

При испытаниях привода были достигнуты следующие параметры: максимальная частота - 33 Гц; минимальное время цикла - 7 мс; максимальная скорость якоря - 3.9 м/с.

В параграфе приведены также варианты конструкции разработанных легкогазовых ускорителей и результаты их испытаний: максимальная частота работы - 30 Гц; время закрывания прерывателей - 2 - 3.5 мс; время открывания стреляющего клапана -0.7 - 0.9 мс. Экспериментально были получены серии из 80 инжектируемых макрочастиц с частотой инжекции 2 Гц и максимальной скоростью до 1240 м/с.

В 2.2 описана разработка микроволновых весов для бесконтактного измерения массы ускоренных макрочастиц. Микроволновые весы

обеспечивают неразрушаю щее измерение массы ускоренной макрочастицы непосредственно перед ее попаданием в плазму. При этом скорость макрочастиц может лежать в диапазоне от 30 до 8000 м/с, а частота следования может достигать 80 Гц.

Принцип действия таких весов основан на сдвиге резонансной частоты резонатора при пролете сквозь него макрочастицы. Сдвиг резонансной частоты приводит к изменению амплитуды и фазы СВЧ-сигнала, прошедшего или отраженного от резонатора, которые в первом приближении прямо пропорциональны массе макрочастицы.

В заключении параграфа рассматривается применение микроволновых весов на центрифуге токамака АБОЕХ-^гаск в условхих большого углового разлета макрочастиц.

Последние два параграфа главы посвящены описанию экспериментов по инжекции макрочастиц на установке Т-10.

В 2.3 приведены основные параметры токамака и описаны диагностические средства, применявшиеся для измерения различных параметров плазмы в экспериментах с инжекцией.

В 2.4 вынесено описание твердоводородного инжектора токамака Т-10. Твердоводородный инжектор представлял собой на момент проведения экспериментов одноствольную легкогазовую пушку с поворотным центральным блоком формирована макрочастиц и заливным криостатом. Конструкция инжектора позволяла получать твердоводородные макрочастицы размером 01,35x1,35 мм со скоростями до 750 м/с при давлении ускоряющего газа 40-60 атм.

В параграфе представлена функциональная схема инжектора и описаны режимы его работы. Отдельное внимание уделено доработке системы сбора данных инжектора и вопросам синхронизации инжектора с работой других диагностических систем токамака. В результате такой доработки бьиа получена точность синхронизации 0.5 мкс.

В заключении главы 2 сделаны следующие выводы:

В результате работы по подготовке экспериментов создана оригинальная экспериментальная техника и диагностические устройства, проведен сравнительный анализ вариантов их исполнения, выполнена их практическая проверка и обобщён опыт их использования в различных условиях, а также предложены варианты их дальнейшего развития.

А именно, разработаны и проверены на практике несколько вариантов конструкции микроволновых весов для бесконтактного взвешивания твердоводородных ускоренных макрочастиц. В частности разработан вариант весов для случая большого углового разлета макрочастиц, применимый на центрифугах и использованный на центрифуге токамака А8ВЕХ-1^гас1е. Разработана методика калибровки

весов с помощью напуска газа известного давления в резонатор. Предложена конструкция безинерционного микроволнового мановакуумметра.

Разработана конструкция быстродействующих форсированных вакуумных электромагнитных приводов для систем периодической инжекции макрочастиц. Приводы используют ввод движения в вакуум через сплошную стенку, имеют выравненную тяговую характеристику, что повышает усилие, развиваемое приводом в начальный момент, и его быстродействие. Разработан специальный источник питания, обеспечивающий форсированную работу привода в частотном режиме. Достигнута частота работы привода до 33 Гц при рабочем ходе до 40 мм.

На основе быстродействующих приводов разработано несколько вариантов легкогазовых ускорителей с использованием промежуточного ствола, что существенно снижает тепловую нагрузку на криогенный модуль инжектора. Конструкция ускорителя со сферическим прерьгеателем позволяет работать с давлениями ускоряющего газа более 60 атм.

Существенно усовершенствована система сбора данных инжектора токамака Т-10. Получена возможность синхронизации с данными других диагностик с точностью до 0.5 мкс и изучения быстрых процессов при инжекции макрочастиц с хорошей координатно-временной привязкой траектории макрочастицы к зарегистрированным сигналам, обеспечивающей знание положения макрочастицы с точностью 0.5 см.

В третьей главе приводятся методика исследования и основные результаты экспериментального исследования электронного переноса в плазме токамака Т-10.

В 3.1 описана методика предварительной обработки экспериментальных данных. В первом пункте параграфа рассматривается обработка экспериментальных данных СВЧ-интерферометра о концентрации электронов плазмы. Данные сначала калибровались, затем, при необходимости, выполнялась "сшивка" сигналов в точках перехода сигнала через начало отсчета, сопровождающегося скачком фазы на 2л. На заключительном этапе выполнялось преобразование Абеля для восстановления эволюции профиля концентрации электронов. Во втором пункте рассматривается подготовка данных о температуре электронов.

В 3.2 приведены результаты определения коэффициентов переноса и их сравнительньш анализ. Перенос тепла анализировался для следующих ситуаций: инжекции водородных (дейтериевых) и примесных макрочастиц в омические разряды токамака Т-10 и инжекции водородных (дейтериевых) макрочастиц в разряды с дополнительным ЭЦР нагревом.

Для исследования переноса тепла использовался один статический и четыре динамических метода. Статический метод заключался в решении обратной задачи баланса тепла. Его методика рассмотрена в первом пункте параграфа. Динамические методы включали методы определения коэффициента электронной температуропроводности из анализа периода пилообразных колебаний, по длительности теплового импульса от внутреннего срыва, по времени распространения волны охлаждения от испарившейся макрочастицы, и по постоянной времени, характеризующей релаксацию электронной температуры после инжекции. Результаты оценок коэффициента электронной температуропроводности приведены во втором пункте параграфа.

Завышенные значения коэффициента по сравнению со стационарным балансом получаются при анализе времени распространения волны охлаждения от инжекции макрочастицы, причем для водородных (дейтериевых) макрочастиц часто наблюдается эффект сверхбыстрого распространения тепла, что вообще не позволяет получить результат этим методом. Анализ периода пилообразных колебаний, также как и анализ времени распространения тепловой волны от внутреннего срыва, дают приблизительно сходные результаты, которые также превышают значения, полученные из рассмотрения баланса тепла.

Следует отметить, что временные и пространственные масштабы пр1[менимости оценок, полученных использованными методами, различны, что объясняет часть различий в результатах.

Использование квазистационарного баланса тепла дает значения температуропроводности для всех точек по малому радиусу, но минимальная погрешность получается в области максимальных градиентов, т.е. средней части шнура. В центре велика погрешность из-за стремящихся к нулю производных, на краю необходимо учитывать дополнительные источники и стоки и больше неопределенность в экспериментальных данных. Динамические методы, основанные на измерении параметров пилообразных колебаний и распространении волны охлаждения от испарения макрочастицы, дают оценку температуропроводности для центральной области плазменного шнура. Динамический метод, использующий распространение тепловой волны от внутреннего срыва, дает оценку температуропроводности для внешней области плазмы.

Если рассматривать период времени после возмущения, для которого действительна оценка, получаемая каждым из методов, то методы, использующие распространение тепловой волны от внутреннего срыва или волны охлаждения от испарения макрочастицы, дают оценку для первых миллисекунд после возмущения. Одним из объяснений

завышенных значений температуропроводности, получаемых этими методами, является то, что они дают не стационарный, а дифференциальный коэффициент температуропроводности, т.е. в значение коэффициента включены его зависимости, прежде всего, от амплитуды возмущения и от изменяющихся во времени градиентов температуры и концентрации. Остальные методы дают оценку для поздней стадии релаксации плазмы, когда установилась основная мода.

Из рассмотрения времени восстановления плазмы после инжекции для углеродных макрочастиц получаем небольшое превышение данных, полученных из рассмотрения баланса, а для водородных макрочастиц этот метод дает заниженые значения. Для объяснения этого факта было выдвинуто предположение, что после инжекции водородных макрочастиц на перенос тепла оказывает сильное влияние перенос частиц, иными словами, после водородной инжекции, в отличие от примесной, перенос тепла и частиц является сильно связанным. Если это так, то из-за связанного переноса частиц и тепла вместо коэффициента Хе определяем усредненную величину из коэффициентов температуропроводности и диффузии плазмы, которая оказывается даже меньше значения коэффициента получаемого из рассмотрения баланса.

В подтверждение выдвинутого предположения были обнаружены следующие факты:

- релаксация электронных температуры и концентрации после ннжекции водородных макрочастиц происходит, как правило, с одной и той же постоянной времени, тогда как после инжекции примесных макрочастиц электронная температура релаксирует быстрее концентрации;

- расчет электронной температуропроводности из рассмотрения баланса без учета потоков частиц дает ее существенное уменьшение при водородной инжекции и менее заметное уменьшение в случае примесной инжекции;

- при рассмотрешш электронной температуропроводности для различных материалов примесной инжекции наиболее близкие к водородной инжекции результаты были получены для 1лБ макрочастиц, далее углеродные (графит) и КС1 макрочастицы;

- пикирование профилей концентрации и температуры после инжекции водородных макрочастиц больше, чем после инжекции примесных;

- коэффициент диффузии и скорость линчевания электронов больше после водородной ннжекции, чем после примесной;

На основании этого можно сделать вывод, что после водородной инжекции доминирует связанный перенос тепла и частиц, тогда как в случае примесной инжекции связь переноса тепла и частиц менее существенна.

Результаты определения профилей электронной

температуропроводности из рассмотрения баланса тепла показывают, что сразу после инжекции уменьшаются коэффициенты теплопереноса в центральной части шнура, в то время как на периферии в случае омического разряда вынос тепла увеличивается. Неизменные значения соответствуют примерно радиусу, на котором было максимальное испарение макрочастицы. Это вызывает пикирование профилей температуры и концентрации. Затем профиль температуропроводности релаксирует к доинжекцнонному. Данный эффект более ярко выражен для случая с инжекцией водородных (дейтериевых) макрочастиц, чем примесных.

В последних двух пунктах параграфа приводятся методика и результаты определения профилей коэффициента диффузии и скорости пинчевания электронов на заключительной стадии релаксации плазмы после инжекции.

Для решения уравнения баланса электронов использовалась симметричная часть профиля концентрации, которая получалась после преобразования Абеля для сглаженных по времени данных СВЧ-интерферометра. При этом для каждого шага по времени, подставляя экспериментальные данные в уравнения баланса, получали уравнения относительно коэффициентов переноса. В результате получалась переопределенная система уравнений для коэффициентов переноса, которая решалась методом наименьших квадратов.

Отмечено, что увеличение переноса электронов после инжекции водородных (дейтериевых) макрочастиц больше, чем после инжекции примесных. Было также обнаружено, что с уменьшением концентрации радиальная зависимость коэффициентов переноса несколько увеличивается, особенно на периферии.

Основной целью статистической обработки в 3.3 было построение степенных скейлингов и сравнение их вида со скейлингами Т-11 и Ребю-Лапиа для температуропроводности и скейлингом TEXT для коэффициента диффузии.

В первом пункте приводится алгоритм построения скейлинга и корреляционный анализ варьируемых параметров, в результате которого были определены две группы коррелирующих параметров. Первая группа включает температуру и концентрацию. Из числа варьируемых параметров в этой группе была исключена концентрация для скейлинга температуропроводности и температура для скейлингов диффузии и

скорости пинчевания электронов. Вторая группа включает полный ток плазмы и эффективный заряд плазмы. В этой группе был исключен эффективный заряд плазмы, так как больше погрешность его определения. В результате первого этапа статистической обработки была определена следующая форма скейлинга

Ле 'г 'рглн

На втором этапе был выполнен регрессионньш анализ для трех случаев: инжекция водородных (цейтериевых) макрочастиц в омический разряд х™, инжекции примесных макрочастиц в омический разряд Хе° и инжекция водородных (дейтериевых) макрочастиц в плазму с ЭЦРН

У НА Ле

В результате были получены следующие степенные скейлинга:

ПО __ т0.9±0.1т1.04±0.0б

Хе "*

СО »1.2±0.2^1.56±0.04 Ле ~ ^р ^е „НА т1.0±0.1т|.3±0.3г>0.59±0.03 Хе ~ !р е АН

Сопоставление полученньос из эксперимента скейлингов с приведенными к степенному виду скейлингами Т-11 и Ребю-Лалиа, показывает, что экспериментальные данные лучше согласуются со скейлингом Т-11.

Для коэффициентов диффузии и скорости пинчевания электронов в омических разрядах после инжекции были получены следующие скейлинга:

Г, -2.3±0.5Т1.5±0.7

У _ -2.1±0.510.5±0.5 * ~ "е -*р

В 3.4 представлено прямое моделирование эволюции профиля электронной температуры после инжекции. При этом моделировалось уравнение баланса тепла без учета энергообмена между ионами и электронами и неомических стоков и источников тепла.

В первых двух пунктах параграфа приведено построение консервативной разностной схемы и алгоритм моделирования, а в заключительном пункте рассматриваются результаты, в том числе результаты применения модели канонических профилей, включающей нелокальные свойства процессов переноса в плазме.

Были проверены два варианта модели канонических профилей - без забывания и с забыванием формы канонических профилей.

Поскольку возмущение, вносимое ннжекцией, сильное с точки зрения этой модели, то, как и следовало ожидать, только модель с забыванием канонических профилей описывает эволюцию температуры электронов адекватно эксперименту. При этом наилучшее совпадение

достигается при значении ширины зоны влияния канонических профилей 2о = 8.9.

Отдельно было исследовано влияние переноса частиц на перенос тепла. Бьио получено, что роль членов, отражающих конвективный перенос тепла, существенно больше после инжекции водородных макрочастиц, что является подтверждением вывода о доминировании связанного переноса после инжекции водородных макрочастиц. Связь переноса тепла и плотности уменьшается с ростом атомного веса инжектируемого элемента.

В заключении главы приведены следующие выводы:

В результате проведения экспериментов по инжекции макрочастиц в токамак Т-10 и предварительной обработки данных отработана методика и сформирована база данных, позволяющие оценить коэффициенты электронного переноса, построить степенные скейлинш зависимости коэффициентов о г параметров разряда и выполнить моделирование процессов переноса тепла с учетом влияния на него переноса частиц.

Выполнены оценки коэффициента электронной

температуропроводности из рассмотрения обратной задачи баланса тепла и с использованием четырёх динамических методов, также проведён сравнительный анализ полученных оценок коэффициента.

После инжекции водородных макрочастиц, в отличие от примесных, доминирует связанный перенос тепла и частиц, а сами коэффициенты переноса увеличиваются на периферии и несколько снижаются в центре плазменного шнура. Связь переноса тепла и частиц уменьшается с ростом атомного номера инжектируемого элемента.

Часто при инжекции макрочастиц наблюдается сверхбыстрое проникновение волны охлаждения от места испарения макрочастицы к центру плазмы.

Получены профили коэффициентов диффузии и скорости линчевания электронов после инжекции. Увеличение переноса электронов после инжекции водородных макрочастиц больше, чем после инжекщш примесных. С уменьшением концентрации увеличивается радиальная зависимость коэффициентов переноса, особенно на периферии шнура.

В результате статистической обработки получены скейлинги коэффициентов электронного переноса. Скейлинг для коэффициента электронной температуропроводности согласуется со скейлингом Т-11. Результаты корреляционного анализа базы данных для токамака Т-10 показали сильную корреляцию между электронной температурой и концентрацией, а также между эффективным зарядом и током плазмы.

Результаты прямого моделирования эволюции электронной температуры после инжекцни подтвердили выводы, сделанные при анализе оценок коэффициента электронной температуропроводности. Они показали хорошее восстановление эволюции электронной температуры с использованием как профиля, полученного подгонкой, так и скейлинга Т-11, а также профиля, полученного из обратной задачи баланса тепла, но при учете потоков частиц во всех случаях.

Рассмотрение модели канонических профилей позволило сделать вывод о том, что инжекция является сильным возмущением плазмы и необходимо в этой модели учитывать фактор забывания канонического профиля.

В четвертой главе приведены результаты исследования инжекции водородных макрочастиц в ЭЦРН-плазму Т-10.

В базе данных есть импульс №51173, который отличается от обычных разрядов токамака осуществлением инжекции дейтериевой макрочастицы с небольшой скоростью 280 м/с в ЭЦРН плазму с центральной электронной температурой перед инжекцией более 6 кэВ.

Восстановление профилей электронной концентрации показало, что после инжекции в ЭЦРН-плазму формируется П-образньш профиль концентрации с небольшим прогибом в центре. Из сопоставления графиков эволюции электронной температуры видно, что после инжекции в ЭЦРН-плазму начинается быстрый прогрев, в результате которого температура уже через 10 мс после инжекции превышает температуру до инжекции. При этом инжекция инициирует сверхбыструю перестройку как профиля электронной температуры, так и коэффициентов переноса, что является свидетельством в пользу моделей, рассматривающих глобальные свойства процессов переноса, подобных модели самосогласованных профилей, и идеи о самоорганизованной критичности плазмы.

Одним из основных признаков режима улучшенного удержания является формирование профилей концентрации с резким градиентом в районе последней замкнутой поверхности. Результаты реконструкции профилей концентрации показывают, что такая форма профиля возникает практически сразу после инжекции и существует 33 мс до момента выключения ЭЦРН и далее в течение еще 40 мс.

Предположительно разрушение РСН-моды (Pellet caused H-mode) вызывается смещением области с большим широм от края плазменного шнура сразу после инжекции к 23 см по радиусу через 70 мс после инжекции.

В 4.2 приведены результаты моделирования РСН-моды. Подсчет интеграла энергии в разряде с РСН-модой дает ее увеличение в 1.53 раза,

тогда как для обычного импульса запасенная плазмой энергия не изменяется после инжекции в пределах погрешности вычислений. При этом общее число частиц в импульсе с РСН-модой увеличивается в 1.81 раза, а в сопоставляемом обычном разряде в 1.42 раза.

Из рассмотрения отношения электронного давления плазмы и концентрации через 7 мс после инжекции к доинжекционным значениям получено, что основным отличием РСН-моды от омических разрядов является расположение максимума относительного увеличения концентрации и электронного давления (периферия для РСН-моды и 20 см для обычного разряда).

Для совпадения расчетной и экспериментальной эволюции электронной температуры по нескольким радиусам измерений оказалось необходимым предположить существенное уменьшение электронной температуропроводности во внешней области плазмы. Наилучшее совпадение с экспериментальными данными было достигнуто в предположении постепенного восстановления электронного переноса тепла, коррелирующего со смещением области резкого градиента плотности от периферии к центру плазмы.

Результаты моделирования эволюции электронной температуры в РСН-моде показывают, что инжекция медленной макрочастицы, испаряющейся близко к последней замкнутой магнитной поверхности в ЭЦРН плазме, существенно отличается от случаев инжекции макрочастиц с большими скоростями, которые испаряются в глубине плазменного шнура. Объяснить полученный результат можно, если обратиться к формуле, описывающей неоклассическое радиальное электрическое поле (поле в L-моде) для случая, когда тороидальное вращение плазмы подавляется аномальной вязкостью:

После инжекции первое слагаемое в скобках увеличивается и дополнительный шир электрического поля снижает турбулентность плазмы. Для формирования Н-режима особенно важно, чтобы такое подавление турбулентности происходило в области сепаратрисы или последней замкнутой магнитной поверхности. Это условие как раз было выполнено при инжекции медленной макрочастицы. Изменение профиля электронной температуропроводности подтверждает предположение о том, что сильное возмущение электрического поля на границе плазмы проникает и в центральные области плазменного шнура, подавляя электронный перенос тепла во внешних 2/3 плазменного шнура.

Таким образом видно, что для инициирования перехода в режим улучшенного удержания с использованием инжекции макрочастиц, необходимо испарение макрочастицы в периферийной области плазмы.

Кроме использования медленных макрочастиц целесообразно использовать ннжекцию по нецентральной хорде или в тангенциальном направлении.

В заключении главы приведены следующие выводы:

Исследования инжекции водородных (дейтериевых) макрочастиц показали, что инициирование перехода в Н-режим возможно с помощью инжекции медленной дейтериевой макрочастицы в плазму с мощным ЭЦР-нагревом. При этом формируется П-образный профиль концентрации, который сохраняется и после выключения ЭЦР-нагрева. Также был отмечен дрейф области максимального градиента концентрации к центру плазмы.

Полученные данные согласуются с результатами инициирования Н-режима на токамаке ТУМАН-3 с помощью инжекции примесной макрочастицы.

Выполненное моделирование эволюции электронной температуры показало, что для соответствия с экспериментом необходимо предположить резкое падение коэффициента электронной температуропроводности на внешних 2/3 плазменного шнура, а затем его медленное восстановление, примерно соответствующее дрейфу области максимального градиента концентрации к центру плазмы. Это позволило предположить, что сильное радиальное электрическое поле, возникающее в области резкого градиента концентрации, проникает и внутрь плазмы.

Бьио также отмечено, что перестройка температуры профиля происходит за время существенно меньшее теплопроводностного, что говорит о необходимости дальнейшего развития моделей, рассматривающих нелокальные свойства процессов переноса.

Сделано предложение об использовании инжекции по нецентральной хорде или в тангенциальном направлении для инициирования перехода в Н-режим.

В заключении изложены основные результаты работы:

1. Проведены экспериментальные исследования электронного переноса в омических режимах и в условиях ЭЦР-нагрева в плазме токамака Т-10.

2. Рассмотрено и изучено взаимное влияние потоков тепла и частиц на эволюцию электронной температуры и плотности в широком интервале экспериментальных условий.

3. Разработаны методы оценки коэффициентов теплопроводности, диффузии н скорости пинчевания, а также характерных времен

удержания частиц и энергии в условиях связанного переноса тепла и частиц.

4. Развиты методы подготовки экспериментальных данных о температуре и концентрации к анализу с целью определения транспортных коэффициентов методом обратной задачи и методом прямого моделирования.

5. С использованием метода обратной задачи и прямого моделирования определены значения транспортных коэффициентов и времен удержания тепла и частиц. На основе сформированной базы данных получены скейлинги транспортных коэффицентов. Показано соответствие полученных скейлингов и скейлинга Т-11.

6. Показано, что при водородной инжекции связанньш перенос тепла и частиц доминирует, в то время как при примесной инжекции можно разделить транспорт тепла и частиц.

7. Экспериментально обнаружен L-H-переход, инициированный инжекцией медленной дейтериевон макрочастицы в разряд с мощным ЭЦР-нагревом. Качественно переход объяснен на основе представлений о роли градиента давления около последней магнитной замкнутой поверхности. Предложено использовать инжекцию по наклонной хорде со стороны сильного магнитного поля или в тангенциальном направлении для инициироваши перехода в Н-режим.

8. Разработаны и проверены на практике несколько вариантов конструкции микроволновых весов для бесконтактного взвешивания твердоводородных ускоренных макрочастиц. В частности разработан вариант весов для случая большого углового разлета макрочастиц, применимый на центрифугах и использованный на токамаке ASDEX-Upgrade. Разработана методика калибровки весов по измерениям вакуума в резонаторе весов и предложена конструкция безинерционного датчика давления. Разработаны быстродействующие форсированные вакуумные электромагнитные приводы и легкогазовые ускорители для систем периодической инжекции макрочастиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Kapralov V.G., K.V.Khlopenkov, B.V.Kuteev, M.L.Svoiskaya. Heat transport studies after pellet injection on T-10 //Intern, school on Plasma Physics. Local Transport Studies in Fusion Plasmas. Editors J.D.Callen, G.Gorini, E.Sindoni, SIF, Bologna, 1993. - p.169-174. Kapralov V. G., Kuteev В. V., Parshin M. A., et al. Plasma perturbation during hydrogen pellet injection on T-10. //In Controlled Fusion and Plasma Physics (Proc. 18th Eur. Conf. Berlin. 1991). V. 15A, Part 1, European Physical Society, 1991. p. 345-348.

Kapralov V.G., Rozhansky V.A., Khlopenkov K.V. Improved confinement regime induced by injection of a slow deuterium pellet into ECRH T-10 tokamak plasmas. //Abstr. of 22nd EPS on Cont. Fus. and Plasma Physics, Bourmnemouth, 03-07.04.95. Vol.l9C, parti, p.l 17-120.

Капралов В.Г., Хлопенков K.B., Рожанский В.А. Режим улучшенного удержания в токамаке Т-10, вызванный инжекцией медленного водородного пеллета. //Письма в ЖТФ, т.21, 1995, с.57-63.

Kuteev B.V., Sergeev V. Yu., Egorov S.M., Kapralov V.G. et al. Impurity pellet injection systems for tokamak diagnostics and burn control. //Fusion technology, Vol.26, Nov. 1994, p.938-944.

Капралов В.Г., Смирнов A.C., Умов А.П. А. с. №1760458. Ш., Бюл. Госкомпатента, Вып. 33, 07 сентября 1992.

Капралов В.Г., Умов А.П. Бесконтактньш СВЧ-измеритель массы

движущихся криогенных топливных таблеток. //Тезисы докладов 5-й Всесоюзной конф. по инж. пробл. термоядерных реакторов (Ленинград, 10-12 октября 1990 г.). - М.: ЦНИИатоминформ, 1990. -с. 300-301.

Капралов В.Г., Кутеев Б.В., Ловцюс А.А. и др. Стендовые испытания инжектора твердого водорода для токамака Т-15. //Тезисы докладов 5-й Всесоюзной конф. по инж. пробл. термоядерных реакторов (Ленинград, J0-12 октября 1990 г.). - М.: ЦНИИатоминформ, 1990. -с. 292-293.

Ловцюс А.А, Капралов В.Г., Мнхайленко А.А. и др. Стендовые

испытания инжектора твердого водорода периодического действия для токамака Т-15. //ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 1993, вып.1 -2, с.53 - 60.

Капралов В.Г., Ким А.В., Слыш О.М., Умов А.П. Быстродействующие вакуумные форсированные электромагнитные приводы для инжектора твердого водорода токамака Т-15. //Тезисы докладов 5-й Всесоюзной конф. по инж. пробл. термоядерных реакторов (Ленинград, 10-12 октября 1990 г.). - М.: ЦНИИатоминформ, 1990. - с. 296-297.

Виняр И.В., Капралов В.Г., Кутеев Б.В. и др. Легкогазовые ускорители криогенных топливных таблеток. //Тезисы докладов 5-й Всесоюзной конф. по инж. пробл. термоядерных реакторов (Ленинград, 10-12 октября 1990 г.). - М.: ЦНИИатоминформ, 1990. - с. 298-299.

Kuteev B.V., Viniar I.V., Sergeev V.Yu., Tsendin L.D., Kapralov V.G. et al. Development of an ITER pellet fueling system in Russia. //Fusion technology, vol.26, Nov. 1994, p.642-648.