Взаимодействие водородных макрочастиц с плазмой токамаков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

/

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 533.916

Кострюков Артем Юрьевич ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДНЫХ МАКРОЧАСТИЦ С ПЛАЗМОЙ ТОКАМАКОВ (Специальность 01.04.08. - физика и химия плазмы)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

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

С.-Петербург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................4

1. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДНЫХ МАКРОЧАСТИЦ С ПЛАЗМОЙ ТОКАМАКОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)........8

1.1. Общая картина взаимодействия пеллета с плазмой токамака..................9

1.2. Модели испарения водородных пеллетов....................................................... 14

1.2.1. Общий подход к расчету испарения пеллета в плазме...............................14

1.2.2. Модели нейтрального экранирования.........................................................15

1.2.3. Плазменное экранирование............................................................................20

1.2.4. Электростатическое экранирование............................................................22

1.2.5. Магнитное экранирование.............................................................................24

1.3. Испарение пеллетов в особых условиях........................................................25

1.3.1. Модели испарения пеллетов в плазме с дополнительным N31 нагревом.. 26

1.4. Обзор моделей испарения..............................................................................26

1.5. Тороидальное ускорение пеллетов..................................................................30

1.6. Экспериментальные данные об испарении пеллетов..................................33

1.6:1. Общие измерения............................................................................................33

1.6.2. Измерения характеристик облака вокруг пеллета.....................................34

1.6.3. Сопоставление существующих экспериментов с моделями испарения. ..37

1.7. Выводы из обзора литературы и постановка задачи.....................................39

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПАРЕНИЯ МАКРОЧАС ЩЦ.^^^^Е С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ N81 НАГРЕВОМ [25]..................................40

2.1. Эксперименты по инжекции водородных макрочастиц в разряды с N81 нагревом. Результаты моделирования испарения по модели Паркса.............41

2.2. Модель взаимодействия водородной макрочастицы с плазмой токамака при дополнительном ИВ1 нагреве...........................................•.............46

2.2.1. Распределение быстрых ионов.......................................................................49

2.2.2. Потенциал облака..........................................................................................50

2.2.3. Проникновение потока тепла сквозь нейтральное облако........................56

2.2.4. Расширение облака.........................................................................................58

2.2.5. Расчет скорости испарения..........................................................................59

2.2.6. Скейлинг для расчета скорости испарения.................................................59

2.2.7. Дополнительный перепад потенциала в нейтральном облаке вблизи поверхности пеллета................................................................................... .............63

2.3. Результаты моделирования испарения пеллетов по предложенной модели..........................................................................................................................72

2.4. Обсуждение результатов и выводы.................................................................77

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ ИСПАРЕНИЯ ПЕЛЛЕТОВ ПРИ МНОГОКРАТНОЙ ИНЖЕКЦИИ В А8БЕХ-иРСКАБЕ [33]....................78

3.1 Схема и результаты эксперимента...................................................................81

3.1.1. Схема эксперимента......................................................................................81

3.1.2. Результаты эксперимента...........................................................................82

3.2. Сравнение экспериментальных результатов с модельным расчетом......90

3.3. Анализ возможных причин аномального испарения и сдувания.............93

3.3.1. Модификация профшя плотности тока проводимости и бутстрэп-

тока............................................................................................................................93

3.3.2.. Радиальное торможение пеллетов.............................................................95

3.3.3.. Движение магнитных поверхностей............................................................97

3.4. Эффект роста числа убегающих электронов.................................................99

3.5. Обсуждение результатов и выводы...............................................................108

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОБЛАКА ИСПАРЯЮЩЕЙСЯ МАКРОЧАСТИЦЫ [56]....................................110

4.1. Схема эксперимента........................................................................................111

4.2. Характерные особенности распределения интенсивности излучения облака.........................................................................................................................111

4.3. Анализ структуры светящегося облака.......................................................114

4.3.1. Измерение излучения в облаке испаряющейся макрочастицы................. 114

4.3.2. Оценки структуры облака по модели нейтрального экранирования [7J.115

4.4. Обсуждение результатов и выводы...............................................................118

5. ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЛАКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ ИСПАРЕНИЯ МАКРОЧАСТИЦЫ В ТОКАМАКЕ Т-10 [35]. 121

5.1. Параметры токамака Т-10 и аппаратуры для пеллет инжекции..............122

5.2. Схема эксперимента, оптическая схема для фотографирования облака, процедура ее калибровки........................................................................................123

5.2.1. Схема эксперимента....................................................................................123

5.2.2. Оптическая схема.........................................................................................124

5.2.3. Калибровка оптической схемы....................................................................125

5.3. Физические основы спектроскопических измерений в облаке испаряющейся макрочастицы..............................................................................127

5.4. Результаты эксперимента...............................................................................130

5.5. Обсуждение результатов..................................................................................138

Выводы.......................................................................................................................145

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................146

БИБЛИОГРАФИЯ

148

Введение

В настоящее время программа реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС) в установках типа "токамак" [1] вышла на финишную прямую.

Одной из важных проблем в программе УТС остается создание эффективной системы ввода топлива в плазму токамака. На всех современных экспериментальных установках для ввода вещества в плазму используется напуск газа с периферии плазмы. В тоже время развивается метод инжекции в плазму топливных таблеток (макрочастиц, пеллетов), состоящих из замороженных до твердого состояния изотопов водорода [2]. Водородные или дейтериевые макрочастицы размером 0.5-5 мм инжектируются со скоростью Vp= 0.2-2.5 км/с в направлении центра плазменного шнура радиусом а до 120 см с температурой электронов Те до 3 кэВ и концентрацией электронов пе до 3x1014 см"3. Под действием потоков тепла из плазмы токамака поверхность пеллета нагревается и затем испаряется за время порядка 100-500 мкс, за которое пеллет успевает пролететь 10-100 см. Инжекция макрочастиц позволяет более эффективно доставлять вещество в центральную часть плазмы, где должна происходить термоядерная реакция. Эффективность топливного цикла при инжекции таблеток определяется глубиной их проникновения в плазму, т.е. расстоянием от периферии плазмы, где начинается испарение, до точки, где таблетка полностью испарится. Важно также изменение скорости испарения таблетки по мере ее проникновения в плазму. Поэтому, для проектирования системы ввода топлива необходима модель взаимодействия макрочастиц с горячей плазмой токамака. Такая модель должна предсказывать скорость испарения макрочастиц, в зависимости от параметров плазмы и макрочастицы (ее скорости, размера и материала).

Большая часть предложенных моделей рассматривает ситуацию в максвелловской плазме, где испарение определяется, в основном, электронами плазмы. В то же время, экспериментально показано, что при инжекции макрочастиц в плазму с дополнительным нагревом пучком высокоэнергетичных атомов (NBI нагревом) быстрые ионы, появляющиеся в плазме, существенно влияют на испарение. Немногочисленные модели [3, 4], анализирующие влияние

быстрых ионов на испарение, носят упрощенный характер, предсказывают испарение, значительно отличающееся от экспериментального, и не подкреплены моделированием большого количества экспериментов.

В реакторе инжекция будет носить периодический характер, когда таблетки будут инжектироваться в плазму с частотой 1-10 Гц. Явления, происходящие в плазме при таком режиме, слабо изучены как экспериментально, так и теоретически. Уже первые эксперименты, проведенные на А8БЕХ-1^гас1е [5], показали неожиданное уменьшение глубины проникновения и усиленное искривление траектории последних таблеток, которое не нашло объяснения в рамках известных моделей.

Как правило, для проверки моделей испарения сравнивается с экспериментом лишь интегральная величина - глубина проникновения макрочастиц в плазму. Структура облака, окружающего макрочастицу и определяющего скорость испарения, описывается различными моделями, но при этом выполнено лишь небольшое количество экспериментов по изучению облака вокруг макрочастиц. Сравнения результатов расчета структуры облака с экспериментом ограничиваются сопоставлением полных размеров и не содержат анализа экспериментальной структуры облака.

Сказанное выше определяет существование ряда пробелов в описании взаимодействия водородных макрочастиц с плазмой. Настоящая работа восполняет эти пробелы и содержит исследования испарения макрочастиц в плазме с N131 нагревом, анализ эксперимента по испарению макрочастиц в разрядах с их многократной инжекцией, и изучение светящегося облака вокруг макрочастицы.

Цели работы.

1. Разработка модели испарения макрочастиц в плазме с быстрыми ионами N131 нагрева. Сопоставление модельных предсказаний с экспериментальными данными, полученными на токамаках ТРТЯ, БШ-Б, предоставленными международной базой данных ¡РАБВАЭЕ.

2. Анализ изменения условий испарения макрочастиц в разрядах с их многократной инжекцией.

3. Изучение пространственного распределения интенсивности излучения светящегося облака вокруг макрочастицы.

4. Экспериментальное изучение светящегося облака вблизи макрочастицы спектроскопическими методами для определения температуры в облаке.

Новизна работы.

1. Предложена новая модель испарения пеллета в плазме с быстрыми ионами NBI нагрева. Модель учитывает изменение потенциала плазменного облака вблизи пеллета за счет потока быстрых ионов а также дополнительный прогрев облака быстрыми ионами и непосредственное испарение пеллета быстрыми ионами. Предсказание модели сопоставлено с обширной экспериментальной базой данных. Модель качественно правильно описывает значительное увеличение испарения на периферии плазмы и сокращение глубины проникновения пеллетов при дополнительном NBI нагреве плазмы, наблюдавшееся на токамаках TFTR и DIII-D. Для реактора ITER предсказывается уменьшение глубины проникновения таблеток на 15 процентов.

2. Впервые проанализировано изменение условий испарения пеллетов при их периодической инжекции в токамак. Показано, что инжекции стимулируют эффект увеличения популяции надтепловых электронов в плазме за время разряда, который может значительно повлиять на испарение и ускорение пеллетов. Проанализированы результаты эксперимента с периодической инжекцией таблеток в токамак ASDEX-Upgrade, установившего рост кривизны траектории макрочастиц и сокращение глубины проникновения по мере инжекций [5].

3. Проанализировано пространственное распределение свечения облака вокруг пеллета. Впервые по фотографиям облака отмечено сигарообразное плато максимальной светимости.

4. Разработана оригинальная экспериментальная методика, позволяющая одновременно получить интегральные фотографии облака испаряющегося пеллета одновременно в двух диапазонах длин волн: в континууме и в линиях На, Н р (Da, Dp). Впервые такие измерения проведены в различных точках вдоль траектории макрочастицы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Глава 1 представляет собой обзор существующих моделей и экспериментов, описывающих взаимодействие водородных пеллетов с плазмой.

Глава 2 посвящена исследованию испарения пеллетов в плазме с дополнительным N61 нагревом. Показано, что при увеличении мощности дополнительного нагрева проникновение пеллетов в плазму сокращается (до 40%) и наблюдается усиление испарения на периферии плазмы. Предложенная модель учитывает увеличение испарения пеллета за счет быстрых ионов дополнительного нагрева. Модель была использована для расчета испарения пеллетов в разрядах ТГТ11 и БШ-О. Моделирование в нужной мере оценивает влияние быстрых ионов на испарение.

Глава 3 посвящена изучению экспериментального феномена, зафиксированного при многократной инжекции пеллетов в токамак АБОЕХ-Цр§гас1е [5]. Показано, что наблюдаемое увеличение скорости испарения и тороидального ускорения пеллетов от первого к последующим не может быть объяснено в рамках стандартных моделей. В результате анализа различных возможных причин была предложена гипотеза о возникновении в разряде постепенно растущей популяции надтепловых электронов, которые и определяют усиленное испарение пеллетов.

В главе 4 Проанализированы фотографии облака, представленные в работе [6] при испарении макрочастицы в Т-10. Отмечено существование сигарообразного плато с постоянными значениями интенсивности. Показано что измеренный поперечный размер плато (2-4 мм) соответствует размеру границы ионизации облака вокруг макрочастицы.

Глава 5 описывает эксперимент по измерению температуры в облаке водородного пеллета, испаряющегося в токамаке Т-10. Анализируются возможности и особенности измерения температуры в облаке по отношению интенсивностей спектральных линий и континуума. Описана экспериментальная схема, позволяющая измерять температуру в облаке по мере проникновения пеллета в плазму т.е. при различных скоростях испарения. Описаны результаты измерений.

Результаты, выносимые на защиту.

¡.Теоретически обоснованная численная модель, подтвержденная сопоставлением с доступной экспериментальной базой, объясняющая существенное влияние быстрых ионов N131 нагрева на испарение водородных макрочастиц в плазме токамака.

2.Анализ изменения условий испарения макрочастиц при их многократной инжекции в течение одного разряда токамака.

3.Классификация сложной структуры светящегося облака, окружающего испаряющуюся водородную макрочастицу.

^Экспериментально полученный вывод о слабой зависимости температуры зоны максимальной светимости облака водородной макрочастицы от параметров плазмы и макрочастицы.

1. Исследования взаимодействия водородных макрочастиц

с плазмой токамаков (обзор литературы).

Предлагаемый обзор литературы описывает результаты работ, непосредственно относящихся к данной диссертационной работе. Более общая информация о состоянии исследований по пеллет инжекции содержится в обзоре [2].

Данный обзор литературы имеет следующую структуру:

1. Описана общая картина взаимодействия пеллета с плазмой токамака, опираясь в равной степени как на теоретические, так и на экспериментальные результаты. Перечислены различные механизмы, влияющие на величину скорости испарения макрочастицы.

2. Более подробно излагаются основные положения моделей испарения в плазме с максвелловской функцией распределения электронов.

3. Отдельно рассмотрены модели, существующие в настоящий момент для описания испарения макрочастиц в плазме с быстрыми ионами N131 нагрева.

4. Приведен краткий обзор существующих моделей испарения с перечислением факторов, принимаемых во внимание этими моделями и законов подобия,. Предлагаемых ими для вычисления скорости испарения.

5. Описан эффект реактивного ускорения испаряющейся макрочастицы в тороидальном направлении.

6. Описаны результаты существующих экспериментальных исследований взаимодействия макрочастиц с плазмой.

1.1. Общая картина взаимодействия пеллета с плазмой токамака.

Экспериментальные исследования взаимодействия макрочастицы с плазмой охватывают широкий диапазон изменения параметров плазмы и макрочастицы. Водородные или дейтериевые макрочастицы размером 0.5-5 мм инжектируются со скоростью Vp= 0.2-2.5 км/с в направлении центра плазменного шнура радиусом a до 120 см с температурой электронов Те до 3 кэВ и концентрацией электронов пе до 3x1014 см"3. Напряженность магнитного поля Во в экспериментах изменяется в пределах 1-16 Тл. Под действием потоков тепла из плазмы токамака поверхность пеллета нагревается и затем испаряется за время порядка 100-500 мкс, за которое пеллет успевает пролететь 10-100 см.

Общая картина взаимодействия пеллета с горячей плазмой токамака иллюстрируется на рис. 1.1.

Пеллет движется поперек силовых линий магнитного поля В0. В плазму, как правило, инжектируются цилиндрические пеллеты с примерно одинаковыми диаметром и длиной. Существующие модели испарения описывают испарение сферических пеллетов. Предполагается [7], что более острые участки поверхности испаряются быстрее и испаряющийся пеллет стремится принять сферическую