Исследование альфа-частиц с использованием перезарядки в облаке макрочастицы (РСХ) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Цель работы.

Научная новизна и практическая ценность работы.

Основные положения, выносимые на защиту.

Апробации работы и публикации.

Структура и объем диссертации.

ГЛАВА -I-.

Литературный обзор.

ГЛАВА II.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ.

2.1. Модель Фишера и др.

2.1.1. Использование нейтральных атомов полученных при многократной перезарядке.

2.1.2. Потери энергии налетающих альфа-частиц.

2.1.3. Принципиальное устройство системы CIT.

2.1.4. Альтернативный подход с использованием однократной перезарядки.

2.2. Модель Макчеснея и др.

2.2.1. Пересмотр формулировки модели уровня сигнала.

2.2.2. Описание метода Монте-Карло.

2.2.3. Аналитическое решение.

2.3. Наш пересмотр модели Макчеснея и др.

2.4. Моделирование числа счетов NPA для ITER - ЖЕАТОшибка! Закладка не определена.

2.5. Модель испарения примесной макрочастицы.

2.5.1. Общая схема.

2.5.2. Потенциал облака.

4.8. Расчет сигналов анализатора нейтралов для условий ITER-FEAT

В первом поколении термоядерных реакторов в качестве топлива будет использоваться смесь дейтерия и трития (D-T). Возникающие при реакции дейтерия с тритием альфа-частицы с энергией 3.5МэВ должны хорошо удерживаться магнитным полем для того, чтобы они, прежде чем уйдут на стенки, успевали, благодаря столкновениям, передать плазме значительную долю своей энергии. В случае; если альфа-частицы будут удерживаться плохо, зажигание термоядерной реакции будет требовать большей температуры и концентрации плазмы чем предполагают сейчас.

Пеллетная перезарядка (PCX) рассматривается как один из методов измерения энергетической функции распределения удерживаемых в плазме альфа-частиц. Этот метод основывается на нейтрализации альфа-частиц в абляционном облаке, которое окружает инжектированную в плазму пеллету примеси. Измеряемый спектр нейтральных атомов пропорционален произведению потока альфа-частиц на облако и доли альфа-частиц, которые в нем нейтрализуются.

Хотя относительные значения функции распределения, полученные с помощью PCX-диагностики, давали разумное значение эффективной температуры частиц и указывали на классический механизм релаксации энергии, абсолютные значения измеренных потоков частиц были на порядок меньше чем те, которые ожидались на основе моделирования с помощью численного кода.

Мы считаем, что такое расхождение с экспериментом возникает из-за переоценки размера облака, предполагавшегося в расчетах потоков нейтралов перезарядки.

Цель работы

Цель данной диссертационной работы состояла в усовершенствовании модели взаимодействия альфа-частиц с облаком, окружающим испаряющуюся макрочастицу, и применение созданной модели для анализа экспериментальных данных, полученных на действующих установках (TFTR) и для моделирования сигналов диагностики для установок следующего поколения, таких как Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР.

Научная новизна и практическая ценность работы

Данная работа посвящена анализу параметров пеллетного облака, которые имеют существенное влияние на определение энергетических распределений альфа-частиц. Для оценок размера облака макрочастицы при PCX-диагностике нами предложено использовать подходы, основанные, на ионизационном балансе и длине ионизации испаренных с пеллеты нейтральных атомов. Это позволило впервые согласовать абсолютные значения расчетных PCX потоков с теоретически оцененными для TFTR.

Проведено моделирование абляции литиевой пеллеты в токамаке ITER - FEAT и оценены размеры и линейная плотность облака. Расчеты Макчеснея и др. [1] для рассеяния и потери энергии быстрыми альфа-частицами в облаке и для равновесной доли нейтральных атомов уточнены с учетом новых размеров облака.

Получены оценки потоков нейтральных атомов в анализаторе нейтральных частиц (NPA) типа Гемма-2 (ФТИ им. А.Ф, Иоффе), ожидаемых для установки ITER - FEAT, которые подтверждают перспективность применения метода PCX в условиях работы реактора.

Результаты работы могут быть использованы при анализе экспериментов на действующих установках типа токамак и стелларатор, а б также при проектировании диагностики альфа-частиц для установок следующего поколения (ИТЭР, \\7-X, 1Т60-и), а также в учебном процессе.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная модель взаимодействия альфа частиц с облаком, окружающим испаряющуюся макрочастицу, в которой поперечные размеры облака оцениваются на основе энергетического баланса, либо длины ионизации испаряющегося материала.

2. Результаты применения модели взаимодействия альфа частиц с облаком макрочастицы для анализа данных экспериментов на токамаке ТТТК, которые свидетельствуют о возможности определения абсолютных значений функции распределения альфа-частиц.

3. Результаты моделирования сигналов РСХ-диагностики в установке ИТЭР, указывающие на перспективность ее применения в реакторных условиях.

Апробации работы и публикации

Основные результаты представленных в диссертации исследований докладывались на

Международной конференции по технологии материалов (Каир,

2001).

Конференции американского физического общества (Квебек, 2000).

4-м международном симпозиуме "Тенденции развития управляемого синтеза" Вашингтон, 2001.

V Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы (С.Петербург, 2001).

Совещании по диагностике ИТЭР (С.-Петербург, 2001). По материалам диссертации опубликовано четыре работы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она включает в себя 83 страниц текста, 35 рисунков, 2 таблицы. Список цитированной литературы содержит 50 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе расширенная модель, которая ранее была разработана и опробована для эффектов, связанных с зарядовыми состояниями, не подобными состояниям гелия, и некоторых геометрических эффектов, относящихся к процессу нейтрализации, применена для изучения физических процессов, включаемых в вычисление энергетических спектров быстрых альфа-частиц в PCX-диагностике

Вычисления были проделаны в соответствии с нашей оценкой поперечного размера облака и дали следующие результаты.

- Показано, что поперечный размер облака очень важен для абсолютных измерений. Оценка с помощью ионизационного баланса и длины ионизации нейтральных атомов абляцированного материала показывает, что поперечный размер литиевого облака составляет порядка 1 мм. Этот размер облака позволяет согласовать абсолютные значения промоделированных потоков, возникающих вследствие пеллетной перезарядки, с вычисленными теоретически для TFTR.

- При рассмотрении доли нейтрализаций альфа-частиц в абляционном L? нами замечено, что доля пучка Fq возрастает с увеличением концентрации, проинтегрированной вдоль траектории пучка, и достигает равновесных значений при интегральной концентрации в диапазоне 5 х 1016 - 3 х 1017 см"2, но уменьшается с возрастанием энергии налетающих на облако альфа-частиц.

- В отношении доли нейтрализаций для разных структур литиевого абляционного облака мы видим, что Li+ занимает наибольшую часть облака, и что при увеличении доли Li+ в облаке равновесная доля нейтрализаций возрастает. Li2+ и Li3+ уменьшают долю нейтрализаций при всех энергиях.

- Учитывая влияние потерь энергии в облаке Li+, мы замечаем, что потери энергии альфа-частиц малы по сравнению с ожидаемым разрешением NPA ЛЕ = (0.05 - 0.1) Е. Потери энергии альфа-частиц не должны значительно различаться для ионизованного и частично ионизованного облака. Так происходит потому, что скорость альфа-частиц велика по сравнению с орбитальной скоростью связанных электронов, следовательно, потери энергии альфа-частиц на свободных и связанных электронах будут одинаковы.

- Если облако слишком плотное, налетающие альфа-частицы могут отклониться на значительный угол. Средний квадрат (угла) уменьшается при возрастании энергии налетающих альфа-частиц и при наивысших значениях энергии практически исчезает; при больших концентрациях облака он становится большим. Угловое рассеяние альфа-частиц в литиевом облаке невелико. Поэтому информация об угле, под которым падают альфа-частицы, сохраняется при перезарядке в облаке.

- Моделирование PCX в ITER-FEAT показывает, что ожидаемое число счетов анализатора для PCX находится в диапазоне от 107 до 10й частиц/с. Это число счетов существенным образом зависит от эффективной площади облака и возрастает, если возрастает радиус облака, пересекающего область наблюдения NPA. Мы ожидаем, что это число счетов будет меньше, если учитывать влияние структуры абляционного облака, поскольку максимальной равновесной доле нейтральных атомов соответствует 100% Li+.

В заключение, я хотел бы выразить мою самую глубокую благодарность профессору Б.В.Ку+ееву, профессору физики плазмы и заместителю декана физико-технического факультета Санкт-Петербургского государственного технического университетаза за постановку задачи, общее руководство, и полезные обсуждения в течение выполнения этой работы.

Моя глубокая благодарность всем сотрудникам и коллегам с кафедры физики плазмы, и всем сотрудникам кафедры физической электроники радиофизического факультета Санкт-Петербургского государственного техническом университете, за их теплую симпатию и помощь.

Я хотел бы также выразить мою глубокую благодарность всем сотрудникам факультета науки Университета Жаноп-Элуади в Сохаге, (Египет) за их непрерывную поддержку в течение выполнения этой работы.

1. McChesney J. M, Parks P. B, Fisher R. K, and Olson R. F." The interaction of fast alpha particles with pellet ablation clouds Phys. Plasmas, 1997, V. 4, p. 381 392.

2. Parker R. R. " Parameters of the ITER EAD design" Plasma Phys. Control. Fusion, V. 35, 1993, B 23.

3. Milora S. L, Houlberg W. A, Lengyel L. L, and Mertens V. "Pellet Fuelling", Nucl. Fusion, V. 35, 1995, p. 657 754.

4. Lang P. T, Buchi K., Kaufmann M., Lang R. S., Martensr V., Muller H. W., Neuhauser J., ASDEX Upgrade Team, NBI Team, " Pellet injection into upgrade plasma szenario from the magnetic high-field side", IPP 1/304, 1996, p. 1- 23.

5. Spitzer Jr. L., Grove D. J., Johnson W. E., Tonks L., Westendorp W. R. " Problems of the Stellarator as a Useful Power Source", USAE C Report NYO, 1954, p. 6047.

6. Rose D. J. "Culham Laboratory Technology Division Memorandvm N0. 82", 1968.

7. Chang C. T. "The magnetic shielding effect of a re-fuelling pellet", Nucl. Fusion, V. 15, 1975, p. 595 604.

8. Gralnick S. L." Solid deuterium evaporation in a fusion plasma" , Nucl.

9. Fusion, V. 13, 1973, p. 703 713.

10. Gralnick S. L, A Fusion Power Plant (MILLS, R. G., Ed.), "Princeton Plasma Physics Laboratory Rep. MATT 1050, Chapter 7", 1974.

11. Parks P. B, Turnbull R. J., Foster C. A. " A model for the ablation rate of a solid hydrogen pellet in a plasma" Nucl. Fusion, V. 17, 1977, p. 539 556.

12. Parks P. B, Turnbull R. J. " Effect of transonic flow in the ablation cloud on the lifetime of a solid hydrogen pellet in a plasma", Phys. Fluids, V. 21, 1978, p. 1735-1741.

13. Milora S. L., Foster C. A., "A revised neutral gas shielding model forpellet plasma interactions", IEEE Trans. Plasma Sci. PS-6, 1978, p. 578 - 592.

14. Milora S. L., "Review of pellet fuelling", J. Fusion Energy, V. 1, 1981, p. 15-48.

15. Milora S. L. "New Algorithm for Computing the Ablation of Hydrogenic Pellets in Hot Plasma", Oak Ridge National Laboratory Rep. ORNLITM, 1983, p. 8616.

16. Kuteev B. V., Umov A. P., and Tsendin L. D. " Two dimensional kinetic model for the evaporation of hydrogen pellet in tokamak", Sov. J. Plasma Phys, V. 11, 1985, p. 236-241.

17. Nakamura Y., Nishihara H., and Wakatani M. " An analysis of the anlation rate for solid pellets injected into neutral beam heated toroidal plasmas", Nucl. Fusion, V. 26, 1986, P. 907 921.

18. Kaufman M., Lackner K., Lengyel L." Plasma shielding of hydrogen pellets", Nucl. Fusion, V.26, 1986, p. 171 178.

19. Houlberg W. A., Milora S. L., Attenberger S. E. " Neutral and plasma shielding model for pellet ablation", Nucl. Fusion, V. 28, 1988, p. 595-610.

20. Lengyel L. L." Expansion of dense particle clouds in magnetically confined plasmas", Phys. Fluids, V. 31, 1988, p. 1577 1585.

21. Parks P. B." Pellet ablation flow near the stagnation plane at low magnetic Reynolds number", Nucl. Fusion, V. 31, 1991, p. 1431 1441.

22. Kuttev B. V. "Pellet ablation in the Large Helical Device", NIFS-260 report, Nagoya, Japan, 1993.

23. Pegourie B., Picchiottino J. M., Drawin H. W., Geroud A., and Chatelier

24. M." Pellet ablation studies on TORE SUPRA" Nucl. Fusion, V. 33, 1993, p. 591 600.

25. Kuteev B. V." Hydrogen pellet ablation and acceleration by current in high temperature plasmas", Nucl. Fusion, V. 35, 1995, p. 431 -453.

26. Garzotti L., Pegourie B., Geroud A., Frigione D., and Baylor. L. R. " Neutral gas and plasma shielding scaling law for pellet ablation in maxwellian plasmas", Nucl. Fusion, V. 37, 1997, p. 1167 1175.

27. Fisher R. K., McChesney J. M., Parks P. B., Duong H. H., Medley S. S., Roquemore A. L., Mansfield D. K., Budny R. V., Petrov M. P., Olson R. E. "Measurements of fast confined alphas on TFTR", Phys. Rev. Lett., V. 75, 1995, p. 846-849.

28. Fisher R. K., Leffler J. S., Howald A. M., and Parks P. B. " Fast alpha diagnostics using pellet injection", Fusion Technol. V. 13, 1988, p. 536 -542.

29. Fisher R, K., McChesney J. M., Howald A. M., Parks P. B., Thomas D. M., VcCool S. C., and Rowan .W. L. " Fast alpha diagnostics using carbon pellet injection" Rev. Sci. Instrum., V. 61, 1990, P. 3196 3198.

30. Fisher R, K., McChesney J. M., Howald A. M., Parks P. B., Snipes J. A., Terry J. L., Marmar E. S., Zweben S. J., and Medley S. S." Alpha particle diagnostics using impurity pellet injection (invited)", Rev. Sci. Instrum., V. 63, 1992, P. 4499-4504.

31. Parks P. B., Leffler J. S., and Fisher R. K.," Analysis of low-Z impurity pellet ablation for fusion diagnostic studies", Nucl. Fusion, V. 28, 1988, p 477.

32. Bell K. L., Gilbody H. B., Hughes J. G., Kingston A. E., and Smith F. J. " Recommended data on the electron impact ionization of light atoms and ions", J. Phys. Chem. Ref. Data, V. 12, 1983, p. 891 916.

33. Kuteev B.V., Sergeev V. Yu., Sudo S. "Emergency discharge quench or rampdown by a noble gas pellet", Nucl. Fusion, V. 35,1995, p. 1167.

34. S.M. Egorov, V.A. Galkin, V.G. Kapralov, et al. "Pellet ablation study in T-10 using photography technique"//Proc. 13th Intern Conf. on Plasma Phys and Contr. Nucl. Fus. Res. Washington, 1990, v. 1, p. 599-609.

35. Strachan J. D., Mansfield D. K., Bell M. G., Collins J., Ernst D., Hill K., Hosea J., Timberlake J., Ulrickson M., Terry J., Marmar E., and Snipes J., "

36. Modeling of alpha particle slowing down, confined and redistribution by sawtath in TRTR using the FPPT code", J. Nucl. Mater., V. 217, 1994, p. 145.

37. Laframbouise J. G., " Theory of spherical and cylindrical Langmuir probes in a collisionless, Maxwelleian plasma at res", report No. 100, Inst, for Airospace Studies, Univ. of Toronto, 1966.

38. Kuteev B. V., Tsendin L. D." Analytical model of neutral gas shielding for hydrogen pellet ablation" Private Communication.

39. Zweben S. J., Budny R. V., Darrow D. S., Medley S. S., Nazikian R., Stratton B. C., Synakowski E. J., Taylor G., For the TFTR Group, " Alpha particle physics experiments in the Tokamak Fusion Test Reactor", Nucl. Fusion, V. 40, 2000, p. 91 149.

40. Von Goeler S., Johnson L.C., Bitter M., Efthimion P.C., Roquemore A.L. " Calibration issues of the Tokamak Fusion Test Reactor multichannel neutron collimator", Rev. Sci. Instrum., V. 68, 1997, p. 548-551.

41. Zweben S. J., Darrow D.S., Herrmann H.W. (Princeton Univ., NJ (United States). Plasma Physics Lab.) (and others)," Alpha particle loss in the TFTR DT experiments" Nucl. Fusion, V. 35, 1995, p. 893-917.

42. Yavorski V. A, Edenstrasser J. W., Goloborod'Ko V. Ya., Keznik S. N., Zweben S. J." Fokker Planck modelling of Delayed loss of charched fusion productus in TFTR", Nucl. Fusion, V. 38, 1998, p. 1564 - 1576.

43. Mynick H. E., "Stochastic transport of MeV ions by low-n magnetic perturbations", Phys. Fluids B 5, 1993, p. 2460-2467.

44. Langley R. A., " Measurements of a Particles in fusion devices", Bull. Am. Phys. Soc., V. 29,1984, p. 1309.

45. Petrov M. P., Fisher R. K." Charge exchange (C-X) diagnostics of fast confined alphas: present situation and prospects for ITER, Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors", Plenum Press, New York, 1996, p. 495-503.

46. Bundy R. V. "A standard DT supershot simulation", Nucl. Fusion, V. 34, 1994, p. 1247-1262.

47. Allison S. K.," Experimental results on charge-changing collisions of hydrogen and helium atoms and ions at kinetic energies above 0.2 KeV", Rev. Mod. Phys. V. 30, 1958, p. 1137-1168.

48. Jackson. J. D, Classical Electrodynamics, Chap. 13 (Wiley, New York, 1974).

49. Основные результаты, полученные в настоящей работе и вошедшиев диссертацию, опубликованы в работах:

50. Kuttev. В. V, Sergeev. V. Yu, Bakhareva. О. A, Mohamed. H. A., Program of the 42 nd Annual Meeting of the Division of Plasma Physics and the 10 th International Congress on Plasma Physics, Québec City, Canada, vol. 45, No.7 (2000).

51. Kuttev. В. V, Sergeev. V. Yu, Bakhareva. O. A, Mohamed. H. A., "Current Trends in International Fusion Research Review and Assessment", Washington, D. C., U. S. A. (March 2001), p. 43.

52. Mohamed. H. A., International Conference on Materials Science and Technology,Egypt, April (2001), p.16.

53. Кутеев. Б. В, Мохамед. X. А.,"Материалы V Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, ФунДййентальные исследования в технических университетах, (июнь 2001), р. 96.