Экспериментальное исследование равновесных параметров основной ионной компоненты и её стационарного вращения в плазме токамаков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 533.9

Романников Александр Николаевич

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

01.04.08 — физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ООЗОб1419

Троицк —2007

003061419

Работа выполнена в Отделе 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 ГоттЮ 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 1РИНИТИ

Автореферат разослан « 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета ---^—,

кандидат физико-математических наук Казаков С А

На правах рукописи

Романников Александр Николаевич

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

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Троицк-2007

I. 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 БТи (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 ТОЯЕ-ЗИРКЛ (Франция)

5 Впервые показано, что при работе эргодического дивертора существенно уменьшается центральная ионная температура в экспериментах на токамаке ТОЮЗ-БЦРКА

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 (СХИБ) 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 Ь-Н 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 ТОИЕ-БиРКА

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:

б

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 тЕ от изотопного состава привело к открытию порогового эффекта увеличения гЕ 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, Тоге-8ирга, БТи), 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 БТи была продемонстрирована данная особенность при смене рабочего газа водорода на дейтерий

3 Результаты исследования радиального профиля температуры ионов дейтерия и водорода при ионно-циклотронном напеве 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 ТСЖЕ-БЦРКА

5 Результаты исследования влияния работы эргодического дивертора на уменьшение ионной температуры на оси плазмы в экспериментах на токамаке ТСЖЕ-8иР11А

6 Новый эффект, который проявляется в зависимости доплеровского сдвига спектральной линии от радиального электрического поля плазмы токамака при измерениях методом СХ-ЛБ 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 Ь-Н переходе на токамаке Т-11М

8 Метод измерения скорости тороидального вращения основных ионов и впервые на токамаках проведенные измерения скорости тороидального вращения дейтерия в ТОКЕ-ЗЦРКА

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:

ю

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях по Физике плазмы и УТС (Yokohama-1998, Montreal-1996, CIeawode-1991), Европейских конференциях по УТС и физике плазмы (London-2004, Sankt-Peterburg - 2003, Montreux-2002, Budapest-2000, Maastncht-1999, В erchtesgaden-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

и

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, РТи и ТО!1Е-БЦРКА, 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 РТи

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 РТи по измерению зависимости энергетического времени жизни птазмы от эффективного атомного веса ионов Показано, что существует пороговое увеличение энергетического времени жизни

плазмы в области, где эффективный атомный вес рабочего газа составляет 14-16

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

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 ТСЖЕ-БиРКА в зависимости от различных параметров плазмы Измерения проводились методом активной корпускулярной диагностики Одновременно измерялся профиль температуры С°+ вдоль диагностического пучка и центральная ионная температура Сг22+ При запасе устойчивости на границе близком к 3 были открыты режимы с полыми профилями температуры дейтерия и С°+ Дано качественное объяснение этого эффекта

В Третьем параграфе Третьей главы представлены результаты экспериментов, показывающие заметное уменьшение температуры ионов дейтерия в центре .плазмы в результате влияние работы эргодического дивертора на токамаке ТОЯЕ-БиРКА Дается простое

объяснение этому явлению, связанное с эффективным уменьшением малого радиуса плазмы

В Четвертой главе представлены результаты исследований стационарного вращения ионов плазмы в тороидальном и полоидальном направлениях, а также исследования радиального электрического поля в плазме токамака

Во Введении к этой главе рассмотрены основные следствия неоклассической теории для скоростей потоков ионов плазмы Отмечены проблемы согласования расчетных скоростей вращения ионов с экспериментальными и направления исследований, позволяющие связывать теорию с существующими экспериментами Рассмотрены особенности применимости спектроскопии излучения ионов примесей, которое возникает за счет перезарядки ионов на диагностическом пучке (СЛЯБ) Эти особенности, связанные с геометрией расположения линий видимости диагностики и конечного времени жизни возбужденного состояния ионов примесей, приводят к искажению спектральных линий и необходимости существенной коррекции измеряемых скоростей потоков ионов

В Первом параграфе рассматривается открытый автором новый эффект, связанный с радиальным электрическим полем в плазме Этот эффект проявляется в том, что при измерении методом СХЯБ, возникает добавочный (к обычно существующим сдвигам) сдвиг спектральной линии, пропорциональный радиальному этектрическому полю Этот сдвиг происходит в двух направлениях полоидальном и радиальном Учет сдвига спектральной линии в случае измерения излучения примесей, например, гелия, приводит к необходимости коррекции рассчитанной скорости полоидального

вращения исследуемых ионов по абсолютной величине примерно на 30% Сдвиг линии при измерении методом СХИЗ в радиальном направлении может быть использован для исследования радиальных электрических полей в плазме токамаков

Во Втором параграфе Четвертой главы приведены экспериментальные исследования скорости полоидального вращения основных ионов в центральных областях плазмы при Ь-Н переходе на токамаке Т-11М Во Введении обосновывается методика расчета скорости полоидального вращения ионов дейтерия или водорода из измерений нецентрального потока нейтралов перезарядки при заданной энергии нейтралов Сравнивая временной ход потоков нейтралов перезарядки дейтерия в сторону полоидального вращения птазмы и против этого вращения, было рассчитано изменение скорости полоидального вращения плазмы при Ь-Н переходе Изменение скорости было направлено в сторону диамагнитного дрейфа ионов дейтерия, а абсолютная величина этой скорости составила около 9 км/с Эти измерения подтвердили существование перехода в режим улучшенного удержания плазмы токамака Т-11М

В Третьем параграфе проведено исследование скорости тороидального вращения ионов дейтерия и хрома в центральной области омической плазмы токамака ТОЯЕ-ЗиРИА Измерения проводились двумя методами - методом рентгеновской спектроскопии тяжелых примесей и предложенным автором диссертации новым методом, измеряющим скорости потоков основных ионов плазмы Сравнивая спектры нейтралов перезарядки дейтерия по энергиям в тангенциальном направтении и перпендикулярном направлении к центральной силовой линии магнитного поля, рассчитывалась абсолютная величина

тороидальной скорости вращения ионов дейтерия Эксперименты, проведенные с обращением тока плазмы, подтвердили эффективность предложенного метода Скорость тороидального вращения ионов хрома была сравнима со скоростью вращения ионов дейтерия Скорость была направлена против тока плазмы и равнялась примерно 20-30 км/с Приводится теоретическая модель формирования скорости тороидального вращения, объясняющая полученные результаты

В Четвертом параграфе Четвертой главы представлен новый подход к объяснению природы радиального электрического поля плазмы в токамаке. Используя связь разности плотности зарядов на магнитной поверхности в лабораторной системе координат е (п, (г) - пс (/•)) с разностью плотности зарядов на магнитной поверхности в мгновенной инерционной вращающейся системе координат е (л,'М-ле'С)) в виде

](г) У.(г)

е (п,(г)-пс(г)) а е (п'(г)-п,(г)) +-г—> где е ' заряд электрона,

и, (г) - плотность ионов и нДг) - плотность электронов, у С) -плотность тока плазмы, ГДг) - скорость тороидального вращения плазмы, взамен традиционного локального уравнения, связывающего радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и диамагнитный член, получено новое интегральное уравнение Проанализированы нетривиальные следствия данной теории, такие как существование большого радиального электрического поля в лабораторной системе координат в отсутствии разделения зарядов на магнитных поверхностях в мгновенных инерционных вращающихся системах координат для этих поверхностей, вращение плазмы по току в

центральных областях в случае большого отрицательного

J(r) К (г)

радиального электрического поля, связанного с -^— , что

с

согласуется с хорошим удержанием электронов в плазме и т д

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные исследования, проведенные автором при работе над Диссертацией, посвящены изучению поведения функции распределения ионов дейтерия и водорода по энергиям в условиях переменного изотопного состава плазмы, в условиях ионно-циклотронного нагрева на малой добавке водорода в присутствии ионов бора, в условиях большой гофрировки тороидального магнитного поля и воздействия на плазму эргодического дивертора Теоретические исследования посвящены развитию нового направления в изучении тороидального вращения основных ионов плазмы и радиального электрического поля Разработанные автором в ходе проведенных исследований подходы к исследованию основных ионов плазмы, могут обеспечить важный вклад на пути сооружения экономически эффективного и надежного токамака-реактора

Основные результаты работы:

Исследование поведения изотопного состава плазмы в условиях боронизованной стенки, впервые проведенное на токамака

Т-11М, показало, что на ряду 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. Это исследование стало критическим в вопросе необходимости замены в карборане водорода на дейтерий

На примере серии омических экспериментов в токамаке FTU была открыта пороговая зависимость увеличения энергетического времени жизни плазмы от изотопного состава основной компоненты при изменении эффективного атомного веса ионов плазмы от 1 до 2 Подобное поведение энергетического времени жизни, которое косвенно наблюдалось так же на токамаке ASDEX, может существенно упростить подходы к теоретическому объяснению данного эффекта

Проведены измерения спектров потоков нейтралов перезарядки и 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 Эти измерения, впервые проведенной на токамаках, служат доказательством 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 Эти эксперименты открывают возможность применения подобной схемы, только с использованием ионов бериллия, в токамаке ITER

Открыта возможность 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 ТОКЕ-БиРНА Так как избежать гофрировки тороидального магнитного поля будущего токамака - реактора, по-видимому, не удастся, открытые автором полые профили ионной температуры могут возникнуть в некоторых режимах работы реактора Заметное снижение центральной температуры ионов является негативным фактором Поэтому, в реакторе необходимо будет избегать появления подобных режимов

Впервые показано, что эргодический дивертор существенно уменьшает температуру ионов на оси плазмы в экспериментах на токамаке ТОКЕ-БиРКА

Получен новый эффект влияние радиального электрического поля плазмы токамака на измеряемый доплеровский сдвиг спектральных линий методом СХЛБ Этот эффект приводит к ухудшению точности измерения скорости полоидального вращения плазмы Прямое измерение радиального электрического поля в плазме токамака является крайне трудно осуществимой задачей Рассчитанный автором сдвиг линий в методе СХЯБ при наблюдении в направлении малого радиуса токамака, пропорциональный электрическому полю, может служить новым диагностическим инструментом для измерения радиального электрического поля в плазме токамака

Разработан метод измерения скорости полоидального и тороидального вращения основных ионов вращения основных ионов Эти методики прямого измерения скоростей потоков основных ионов и измерения скоростей полоидальных и

тороидальных потоков, впервые в мире проведенные автором на токамаке Т-11М и TORE-SUPRA, открывают новые горизонты исследования процессов формирования различных улучшенных режимов удержания плазмы

Предложен новый теоретический подход к объяснению природы радиального электрического поля в плазме 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

Диссертационная работа была частично поддержана Департаментом Атомной науки и техники в рамках Научной Школы Стрелкова В С , Госконтракт 02 516 11 6068

Основные положения диссертации содержатся в следующих опубликованных работах:

1 А И Кисляков, А В Красильников, M П. Петров, А H Романников Комплекс корпускулярной диагностики на Токамаке с Сильным Полем (ТСП) Препринт ИАЭ-4460/7 M ИАЭ, 1987

2 Gorelenkov N N, RomanmkovA N То the question of adiabatic R-compression in tokamak // Proc 17th EPS Conf on Contr Fus and PlasmaPhys.Amsterdam, 1990 VIIP 914-917

3 Гореленков H H. Романников АН К вопросу адиабатического R-сжатия в токамаке Препринт ИАЭ-5070/6 M ИАЭ, 1990

4 E A Azizov , ОI Buzhinsky , Chernobay А, Romannikov A et al The investigation of properties of Ohmic and ion-cyclotron plasma in the condition of boronized tokamak wall //19th EPS Conf onContr Fus and Plasma Phys 1992 Innsbruck V16 Parti P 1-47

5 01 Buzhinsky, E A Azizov, A M Belov et al A boronization technique for T-3M and T-l 1M tokamak chambers // J Nucl Mater 1992 V 191-194 P 1413-1416

6 Э А Азизов, A M Белов, О И Бужинский, А Н Романников и др Исследование ионно-диклохронного нагрева плазмы в токамаке-11М//Физика плазмы 1994 Т20 С 1060-1064

7 V М Sharapov, S V Mirnov, S A Grashin et al Boronization of Russian tokamaks from carborane precursors//J Nucl Mater 1995 V 220-222 P 730-735

8 Mirnov S V , Kovan IA , Romannikov A N, et al Positive current spike generation during major disruptions and ICRH heating experiments of L-H transition on the T-11M tokamak // Sixteenth International Conf on Fusion Energy Montreal 1996 V 1 P 763-77 / Proceedings of the 16th International Conference on Fusion Energy IAEA Montreal 11 October 1996 (IAEA Vienna 1997) V 1 P 763-770

9 Романников A H Особенности поведения энергетического времени жизни от изотопического состава в экспериментах на токамаке FTU//'Прикладная физика 1992 Т4 С 77-80

10 IA Kovan , А N Romannikov, Yu V Petrov, On the peculiarities of L-H transition on the T-l 1M tokamak // 24th EPS Conf on Contr

Fus and Plasma Phys Berchtesgaden 1997 PI 106 V21A P409-412

11 A H Романников, АП Чернобай О возможности исследования изменения скорости полоидального вращения плазмы для L-H переходов в токамаке методом корпускулярной диагностики// Физика плазмы 1997 Т 23 №12 С 1119-1122

12 Gorelenkova MN, Gorelenkov NN, Azizov EA, Romanmkov A N Herrmann H W Kinetic Theory of plasma adiabatic major radius compression in tokamak // Techn Rep PPPL-3269 October 1997

13 Gorelenkova M N , Gorelenkov N N, Azizov E A, Romanmkov A N Toroidal effects on adiabatic R-compression in tokamaks // Abstracts of International Sherwood Fusion Theory Conference Wisconsin Apr 28-30 1997

14 Romanmkov AN Possibility of studying the change in the poloidal plasmarotation velocity for some tokamak's regimes by CX diagnostics // 9th National Topical Conf on High-Temperature Plasma Diagn., Russia, Saint-Petersburg 2-4 June 1997 Book Of Abstract P-II-6

15 Equipe Tore Supra Towards high-power long-pulse operation on Tore Supra // 17th Conference on Fusion Energy. IAEA Proceedings Yokohama Japan October 1998 V 1 P 83-89

16 Gorelenkova MN, Gorelenkov NN, Azizov EA, Romannikov A N Herrmann H W Kinetic theory of plasma adiabatic major radius compression in tokamaks // Phys Plasmas. 1998 V 5 P. 1345-1353

17 Романников A H Исследование особенностей поведения ионной функции распределения в токамаках // Диссертация к ф-м н ГНЦ РФ ТРИНИТИ Москва 1998

18 А Н Романников, Б Хуттер О возможности исследования изменения скорости тороидального вращения плазмы в режимах нижнегибридного и ионно-циклотронного нагревов методом корпускулярной диагностики И Физика плазмы 1999 Т25 С 133136

19 AN Romannikov, Т Hutter, Р Platz, First measurements of core toroidal rotation by deuterium neutral flux analysis // Proc 26th EPS Conf onContrFus and Plasma Phys Maastricht, 1999 P3 019 P 1029-1032

20 A Lyssoivan, R Koch, Romannikov A et al ICRH plasma production in TORE-SUPRA analysis of antenna coupling and plasma properties // Proc 26th EPS Conf on Contr Fus and Plasma Phys Maastricht, 1999 P2 040 P 737-740

21 Romannikov A N, Chernobai AI Effect of the radial electric field on the accuracy of poloidal plasma rotation measurements by CXR spectroscopy // 27th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics Budapest (Hungry) 2000 Abstracts of invited and contributed papers P3 101 P409

22 A N Romannikov, С Bourdelle, J Bucalossi et al Measurement of central toroidal rotation in ohmic Tore Supra plasmas // Nuclear Fusion 2000 V 40 P 319-324

23 Азизов Э A, Красильников, А В Романников АН и др Исследование поведения высоко энергичных ионов при ионно-циклотронном нагреве в плазме токамака Т-11М ( в рамках проектов ITER, Т-15М и TSP-AST) // Научный отчет 10/НИР-5056 27 12 2000

24 Equipe Tore Supra Steady state operation and control experiments on Tore-Supra// Nuclear Fusion 2000 V40 P 1047-1054

25 Азизов Э A , Кован И A, Романников A H и др ИЦ нагрев плазмы токамака Т-11М до термоядерных температур// Научный отчет 10/НИР-5064 27 12 2000

26 Е A Azizov, О I Buzhinsky, А N Romannikov et al Experiment's tasks of tokamak Til Upgrade// 14th IAEA Technical Comm Meeting on Research Using Small Fusion Devices Book of Abstracts, P 9 June 25-27, 2001 Sao Paulo Brazil

27 Романников A H, Чернобай А И Влияние радиального электрического поля на измерения полоидального вращения плазмы токамака методом спектроскопии перезарядных ионов // Физика плазмы 2001 Т.27 С 1050-1052

28 Романников А Н, Чернобай А И Воздействие радиального электрического поля на функцию распределения ионов, измеренную методом спектроскопии перезаряженных ионов // ОФТР Теоретические и экспериментальные исследования в 2001 г Т 1 Троицк 2002 С 28-30

29 Азизов Э А, Красильников, А В, Романников АН и др Исследование поведения высоко энергичных ионов при ионно-циклотронном нагреве в плазме токамака Т-11М (в рамках проектов ITER, Т-15М и TSP-AST) // Научный отчет 10/НИР-5056 26 12 2002

30 Азизов Э А, Красильников, А В, Романников АН и др ИЦ нагрев плазмы токамакаТ-11М // Научный отчет 10/НИР-5064 29 12 2002

31 Romannikov A To the question of discrepancy between measured poloidal rotation velocity Vp in a tokamak plasma by corpuscular and CXRS methods and its predictions under the collisionless neoclassical theory // Proc 29th EPS Conf on ContrFus and Plasma Phys Montreux 2002 V2 P 119-122

32 А Романников, Ю Петров, П Платц, и др Профили ионной температуры вдоль водородного диагностического пучка для плазмы токамака TORE-SUPRA // Физика плазмы 2002 Т 28 С 110-118

33 Romannikov A Distinction of a Measured Poloidal Rotation Velocity Vp m a Tokamak Plasma by Corpuscular and CXRS Methods from a Neo-Classical Collisionless Vp // Sherwood Fusion Theory Conference Rochester April 22-24 2002 1D16

34 Романников A, Агапов В Влияние изменения плотности вдоль дрейфовых траекторий ионов на скорости полоидального и тороидального вращения плазмы в токамаках // ОФТР Теоретические и экспериментальные исследования в 2002 г Т 1 Троицк 2003 С 28-30

35 Е A Azizov, Yu Р Arefiev, А N Romannikov et al Experimental programs and diagnostics on T-l 1M tokamak // 10th National Topical Conf on High-Temperature Plasma Diagn Russia Troitsk 8-13 June 2003 Book Of Abstract A2

36 Романников АН Влияние изменения плотности вдоль дрейфовых траекторий ионов на скорости полоидального и тороидального вращения бесстолкновительной плазмы токамака //Физика плазмы 2003 Т29 С 691-697

37 С Fenzi-Boruzec, С Bourdelle, G T Hoang et al Effect of Toroidal Rotation Generated by ICRJF Waves on Core Energy Confinement // 31th EPS Conference on Plasma Phys. London 2004 V 28G P-4099 CD-ROM Proceedings of the 31st EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics London 2004 edited by P. Norreys and H Hutchinson (European Physical Society Geneva 2004)

38 Белов AM, Маркин АИ, Алексеев АГ, Мирнов СВ, Романников А Н Экспериментальное исследование быстрых нейтральных атомов, генерируемых в течение срыва в токамаке Т-11М// XXXI Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС 16-20 февраля 2004 Аннотации докладов М34

39 Romanmkov А , Fenzi-Bonizec С A poloidal non-uniformity of the collisionless parallel current in a tokamak plasma // Abstracts of 9th Easter Plasma Meeting on Stability and Confinement of Magnetized Plasma Turin Italy 29 03-01 04 2005

40 Романников A H О возможной природе радиального электрического поля и профиля скорости тороидального вращения плазмы в токамаке // Тезисы докладов XXXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС 12-16 февраля 2007 С 24

41 АН Романников, К Фензи-Бонезек Измерение ассиметрии скорости тороидального вращения ионов С+6 на магнитной поверхности в омической плазме токамака Торе-Супра // XII Всероссийская конференция «Диагностика высокотемпературной плазмы» ДВП-12 3-9 июня 2007 Звенигород Тезисы докладов С 68

42 Romanniko v A Certain considerations concerning the nature of radial electric field and toroidal rotation velocity profile in tokamak plasma //Plasma Physics and Controlled Fusion 2007 V49 P 641-647

Подписано в печать 30 05 07 Формат 60x90/16 Печать офсетная Уел печ л 1,75 Тираж 65 Заказ 54 Отпечатано в РНЦ "Курчатовский институт" 123082, Москва, пл Академика Курчатова