Исследование ЕхВ переноса плазмы на периферии разряда в токамаке ТФ-1 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

АКАдаОИ НАУК СССР ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

На правах рукописи УД{: 621.039.61

Будаев Вячеслав Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ §хВ ПЕРЕНОСА ПЛАЗМЫ НА ПЕРИФЕРИИ РАЗРЯДА В ТОКАМАКЕ ТФ-1

(специальность 01.04.08 - Фнэика и химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1990

/У

Работа выполнена в Институте высоких температур АЙ СССР

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник Р.С.Иванов Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

B.И.Пистунович

кандидат физико-иатеыатических наук

C.Я.Бронин

Ведущая организация: Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе АН СССР

Защита диссертации состоится" " 1990г.

в_час. _мин. на заседании Специализированного совета

К 002.53.01 в Институте высохих температур АН СССР (127412, Москва, ул.Ижорская, 13/19, ИВТАН)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВГАН,

Автореферат разослан " "_ 1990 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических наук

-И.И.Климовский

Институт высоких температур АН СССР, ГЭ90

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза является одной из Болнейших задач создания энергетики будущего. Установки токамак представляются з настоящий момент наиболее перспективными для осуществления управляемого термоядерного синтеза. В токамаках достигнуты рекордные параметры плазмы, приближающиеся к термоядерным, что позволяет непосредственно приступить к разработке проектов термоядерных энергетических установок.

Вместе с тем, проектирование реактора на осново токамака требует решение ряда физических и технических проблем. Одной из таких проблем является выяснение физических механизмов, ответственных за взаимодействие заряженных частиц с элементами первой стенки. Применительно к созданию реактора представляется важным два аспекта проблемы. Первый состоит в том, что 20$ энергии вы-ностися из плазмы на первую стенку в виде энергии заряженных частиц. Пространственная неоднородность выделения этой энергии на элементах первой стенки, включая лимитеры и диверторные пластины, может приводить к чрезмерно локальным тепловым нагрузкам и разрушении последних. Следует при этом отметить, что условия эксплуатации термоядерных реакторов с дейтерий-трнтиевым тогошеным циклом (наведенная радиоактивность конструкций) требуют технических решений, обеспечивающих высокую надежность и долговечность элементов реактора, особенно элементов первой стенки. В втой связи представляется актуальным исследование процессов а плазме, влияющих на вынос энергии заряженных частиц и пространственное распределение энергии на элементах первой стенки.

Другой аспект проблемы состоит в том, что формирование режимов взаимодействия периферийной плазмы со стенкой может в рядо случаев влиять на качество удержания плазмы в токамаках. В свою очередь, размеры и, следовательно, стоимость реактора прямо зависят от времени удержания энергии. Это обстоятельство также определяет большую актуальность исследований процессов переноса плазмы на периферии разряда з токамаке. Открытие режимов с улучшенным удержанием плазмы (Н-режимов) и дальнейшие экспериментальные исследования этих режимов показали связь их возникновения с условиями в пристеночной плазме, в частности, с характером турбулентности на периферии.

Среди механизмов, вызывающих радиальный транспорт поперек

магнитного поля в периферийной области разряда, необходимо выделить турбулентные потоки плазш, обусловленные корреляцией мелкомасштабных флуктуации электрических полей и плотности плазмы, а также квазистацяонарный доейф плазмы в стационарных электрических поляк, возникащих в пристеночной зоне токамака. Именно эти ызха-низш способны объяснить основные потери частиц, а такие конвективные потери энергии в периферийной плазме токамака.

Исследование течений плазмы поперек магнитного поля важно такие для понимания путей переноса примесей от стенки в центральную область разряда.

Цель работы состоит в экспериментальном исследовании пространственной структуры и турбулентно-конвективных потоков пристеночной плазш в полоидальном сечении токамака, а также исследовании физических свойств пристеночной турбулентности токамака.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Впервые получены данные о распределении турбулентно-конвективных ЕхВ потоков заряженных частиц по полному полоидальному углу в периферийной зоне плазмы токамака. Установлено существование в токомаке специфических областей ( в верхней и нижней частях разряда), характеризущихся повышенным переносом частиц и тепла поперек магнитного поля. Получено двухмерное векторное поле течения плазмы на периферии токамака.

2. Впервые обнаружена область полоидальных углов на внутреннем обводе, характеризуемая систематическим течением плазмы от стенки к центру разряда.

3. Впервые получены данные о соотношении турбулентной и квазистационарной конвективной составляющих потоков пристеночной плазш, а такие данные о соотношении полоидальных и радиальных компонент течения плазмы на периферии.

Практическая ценность. Полученный- экспериментальные данные о пространственном двухмерном распределении потоков заряженных частиц в периферийной зоне токамака позволяют оценить возможные тепловые нагрузки на элементы первой стенки -в токомаке с полоидаль-ным лимитером. Эти данные будут полезны при создании реакторов -токомаков, оснащенных тороидальными лимитерами и диверторными системами.

Опыт создания диагностического комплекса для исследования турбулентно-конвективных потоков плазмы может быть успешно использован для изучения процессов переноса в крупных установках реакторных размеров.

Автор выносит на защиту следующие основные положения:

1. Впервые создан диагностический комплекс для исследования турбулентно-конвективных потоков плазмы на периферии разряда токамака на основе многоэлектродной системы ленгмаровских зондов с пространственным разрешением по полному полоидальному углу.

2. Установлен двухмерный характер прострадственно-неоднород-ного течения пристеночной плазмы, свидетельствующий о существовании квазистационарных макроскопических структур потока.

3. Обнаружено теоретически предсказанное течение плазмы от стенки к центру разряда на внутреннем обводе токамака.

4. Установлена значительная полоидальная асимметрия парамэт-ров турбулентности пристеночной плазмы, в частности, фрактальной размерности странного аттрактора флуктуации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1986, 1988, 1989, 1990 г.г.), на ХЛ Европейской конференции по физике плазмы и УТС (Будапешт, 1985), а также на 8 (Юлих, 1988) и 9 (Борнмут, 1990) Меядународных конференциях по взаимодействию плазма-стенка в установка УТС. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Объем диссертации. Общий объем диссертации составляет 159 страниц, включая 4 таблицы и 44 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 125 наименований.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе содержится литературный обзор работ, посвященных проблеме турбулентности и переноса в пристеночной плазма токамака, зондовым измерениям параметров плазмы токамака. В этой главе определена цель исследования. Во второй главе описаны конструкция экспериментальной установки токомак ТФ-1, системы диагностики, ленгиаровские зонды, а такке изложены методы измерений. Третья глава содержит результаты экспериментального исследования параметров плазмы и процессов конвективного и турбулентного переноса в токамаке ТФ-1 (ТВ-1). В четвертой главе изложены полученные данные о фрактальных размерностях и К-энтропии экспериментально измеренных флуктуация плазмы токамака. В последнем разделе сформулированы основные выводы диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования* сформулирована цель исследования работы, указана научная новизна полу-

ченных в диссертации результатов и перечислены основные положения , выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обсуждения экспериментальных и теоретических результатов, полученных при исследовании турбулентности к процессов переноса в пристеночной плазме установок токамак и содержит обзор литературных источников по этой теме. Обсуждаются зондовые методы измерения параметров пристеночной плазмы тока-ыака.

В §1.1. приводятся параметры пристеночной турбулентной плазмы в токамаках разного масштаба. Рассмотрены результаты измерений низкочастотных микроскопических флуктуация параметров пристеночной плазмы в различных токамаках. Отмечается, что на установках разного масштаба параметры пристеночной плазмы во многом совпадают. Приведены данные экспериментального исследования спектров . электростатических и магнитных флуктуаций. В целом, турбулентность пристеночной плазмы может быть одной из причин аномальных потерь в токамаке. Электростатические флуктуации приводят к поперечному потоку плазмы с коэффициента!.™ переноса порядка бомов-ского. Отмечается, что существенного влияния магнитных, флуктуаций на транспортные процессы в пристеночной плазме не обнаружено. Сообщается об экспериментах, указывающих на связь магнитных флуктуаций с электростатической турбулентностью. Отмечается, что условия в периферийной плазме (уровень турбулентности и радиальные электрические поля) влияют на удержание частиц и энергии в центральных зонах разряда, в частности, на формирование Н-режимов.

В §1.2. обсундаются результаты экспериментального и теоретического исследования полоидальной асимметрии пристеночной плазмы в токамаках и полоидальным лимитером. Отмечается, что на полои-дальную асимметрию указывают экспериментальные исследования, проведенные на разных токамаках, в частности, впервые наблюдавшаяся на Т-10 асимметрия верх-низ. Наиболее систематическое экспериментальное изучение полоидальной асимметрии стационарных параметров пристеночной плазмы было проведено лишь в зондовых измерениях на токамаке А¥са{оъ С , где зарегистрировали сильную по-лоидальнуга зависимость стационарных параметров плазмы. Отмечается, что эти данные указывали на полоидальную асимметрию стационарной конвекции плазмы, вместе с тем детального исследования пространственной картины конвекции не было проведено.

В §1.3. обсуждается зондовая методика диагностики периферийной плазмы токамака. Приводится краткое описание теорий зонда в

сильном магнитном поле и экспериментальные проверки этих теорий в зондовых измерениях в токаыаке HITS и установке PISCES , в которой плазма имела свойства, подобные пристеночной плазме токамака. Обсуждается влияние амплитуды флуктуаций параметров плазмы на характеристики ленгмюровского зснда, а также последствия возмущения плазмы при внедрении в нее зонда. В основном, эксперименты подт-верздшэт теоретические формулы для зондовых характеристик. Сделан практический вывод об использовании формул для извлечения параметров плазмы из зондовых характеристик при измерении в пристеночной плазме токомака.

В §1.4. приведен сравнительный анализ зондовых измерений с другими методами диагностики пристеночной плазш. Детальные исследования, проведенные на токамаке TEXT, показали хорошее согласив данных зондовых измерений с результатами, полученными методом коллективного лазерного рассеяния. Указывается на хорояее согласование профилей электронной температуры и концентрации плазмы при измерении томсоновским рассеянием и ленгмюровскими зондами в разных токамаках, в частности в токамаке DIII-3 .

Результаты исследований, изложенные в первой главе, позволяют сделать вывод о необходимости детальных зондовых измерений по-лоидальной зависимости турбулентных и стационарных параметров, а таклсе двухмерной структуры турбулентно-конвективных потоков в пристеночной плазме токомака.

Во второй главе описаны конструкция экспериментальной установки, средства диагностики и методы измерения плазш.

В §2.1 содержится описание установки ТФ-I (модернизированного токамака ТВ-I), конструкции вакуумной камеры, приведены основные параметры токамака ТФ-1 (ТВ-I). Установка ТФ-I представляла собой малый токамак с большим радиусом 23,5 см, малым радиусом 4,1 см. Конструкция токамака традиционная. Токамак имел апертурную полоидальнуга диафрагму из нержавеющей стали радиусом а =3,5 см. Диафрагма имела электрический контакт с заземленной камерой. Очистка поверхности вакуумной камеры достигалась з тлеющем разряде в водороде, а также тренировкой неустойчивыми разряда!,™. Электронная температура в центре была Tg(о)~200-270 эВ, средняя по хорде концентрация Я (2- 3>Ю13см"3 , длительность разряда ~7-8мс.

В §2.2 описаны систеда регистрации основных параметров разряда. Для контроля параметров плазменного разряда в токомаке ТФ-1 использовался стандартный набор диагностик.

В §2.3 описаны системы ленгмяровских зондов, применявшихся

для измерений параметров пристеночной плазмы в токазаке ТФ-1 (ТВ—I). На ТФ-1 устанавливалась многоэлектродная зондовая система для измерений в полоидальном сечении при удалении в тороидальном направлении на 135° от электронной стороны стационарного лимитера. Система позволяла проводить измерения радиальных профилей в полоидальных углах 9 через 45° (рис.1). Геометрическое расположение зондов было следующее: зонды укреплялись на носущих рамках, устанавливаемых через щелевой патрубок на внешнем обводе, а также верхний к нижний патрубки в том же сечении, что и целевой. В соответствующих полоидальных положениях на рамках были смонтированы по четыре ленгмюровешгс зонда. В каздой из этих групп электроды четырех зондов образовывали вершины треугольной призмы, что позволяло измерять три взаимно перпендикулярные проекции электрического поля с помощью полоидачьно, радиально и тороидально разнесенных зондов. Расстояние между этим соседними электродами было 2,7 -1,7 мм. Каждый зонд представлял собой электрод из вольфрамовой проволоки ^ 0,55 мм, выступающий на I мм из керамической трубки ^ 2мм. Цилиндрической осью электроды зондов были направлены вдоль продольного магнитного поля. Необходимое радиальное положение рамок с зондами устанавливалось микрометрическим винтом.'Для регистрации параметров плазмы использовались дополнительные подвижные двойные и тройные ленгмюровские зонды, устанавливаемые в патрубки на внешнем обводе при тороидальном удалении 75° и 90° от электронной стороны диафрагмы.

В §2.4 изложены методы определения параметров плазмы из сигналов ионщлс токов насыщения на зонд, плавающих потенциалов зондов и электрических полей, температуры электронов. Плотность плаз-га! определялась стандарным способом из ионного тока насыщения. Электрические поля определялись по разности плавающих потенциалов двух соседних зондов. Температура электронов измерялась модифицированным методом тройного зонда. Приводятся погрешности определения параметров плазмы. Отмечается, что неопределенность в оценке эффективной собирающей поверхности зонда'приводит, в общем случае, к систематической погрешности в определении П с точностью до коэффициента 2-3. Значительно более надежными являются измерения, относительных величин плотности плазмы, в частности, радиальных профилей.

Для регистрации и обработки экспериментальных сигналов исполь зовались компьютерные комплексы с набором аналого-цифровых преобра аователей имеющих время дискретизации 50-3200 не. Измерительный

тракт позволял регистрировать без искажения зондовке сигналы с полосой пропускания частот 0,5-1200 кГц. Описаны процедуры определения с помощь» компьютерной обработки зондовых сигналов корреляционных характеристик турбулентной плазмы, потоков плазмы в скрещенных ЕхВ полях из измерений плотности плазмы и локальных электрических полей:

?Л ]п ум = - ЕлЫ,-) т^) , {. = с г, с

То /V,,!

с ~ скорость света, В - тороидальное магнитное поле, Е - электрическое поле, определяемое из разности плавающих потенциалов двух разнесенных на в пространстве зондов: Е = л . Поло-

идальный градиент температуры принимался незначительным на масштабе измерения, радиальный градиент температуры учитывался при определении радиальных электрических полей =(д ^/е*3 из разности плавающих потенциалов радиально разнесегашх зондов. Полный ЕхВ поток содержит турбулентный (флуктуационьий) поток Г*', обусловлены:!:; корреляцией колебаний плотности и локальных электрических полей Г =<7117>, и конвективный поток Г°=-<Я><и"> , _ Из радиальных и полоидальных потоков определялась

векторная сумма полного потока в полоидальном сечении. Из результатов измерения температуры электронов и ЕхВ потоков заряженных частиц определялся тепловой электронный •• конвективный поток ~ I ^г'^е и ег0 флуктуационная часть й^ = --Г»-Те.

Описание статистических пространственно-временных свойств турбулентности пристеночной плазш осуществлялось с помощью спектральной функции кв,¿0 ), определявшейся по недавно разработанной методике из сигналов ионных токов насыщения, собираемых двумя разнесенными в пространстве на 1,7-2,7' мм ленгмгоровокини зондами.

В третьей главе представлены.результаты измерений параметров пристеночной плазш и ЕхВ потоков'заряженных частиц. Эксперименты проводились, главны?,! образом, при следующих параметрах разряда: ток плазмы 1^=9 кА, тороидальное магнитное поле В=1,3 Тл, запас устойчивости ^Т"»)=3,6-3,7. Все измерения проводились в стационарной стадии разряда на 4-5 мс от его начала. Воспроизводимость разряда регистрировалась на осциллограммах глобальных параметров разряда. В момент измерений горизонтальное смещение было ~ 3 ш наружу от центра тора, при этом вертикальное смещение практически отсутствовало. В измерениях полоидальных зависимостей с помощью

многоэлектродных зондов,рабочим газом был водород или дейтерий.

В §3.1 представлены результаты измерений воспроизводимых полоидальных зависимостей средних параметров пристеночной плазмы в радиальной области 3,9 см 4Ъ £-3,1 см, включающей тень лимитера в периферийную зону основного разряда. Плотность плазмы ГЬ , электронная температура Те, полоидальные■и радиальные электрические поля зависили от полоидального угла, иногда с несколькими максимумами и минимумами. Различия в значениях плотности в полоидальном направлении достигали 5-8 разл изменялась в радиальном направлении от (1-2) Ю^см"^ до (1-1,5) Ю^сьГ^. Вне тени лимитера, при Ъ<а, полоидальная асимметрия становилась более сильной. Радиальные профили имели различные масштабы спадания в e-раз (от 0,2 до 0,8 см) в тени лимитера и вне ее. Полопдальный градиент плотности плазмы на внутреннем обводе разряда был направлен в сторону электронного диамагнитного дрейфа. Полоидальная асимметрия электронной температуры, которая изменялась от 5 до 35 эВ, была выражена слабее, чем плотности. Масштабы радиального спадания Те изменялись от 0,2 до 0,8 см в полоидальном направлении.

Минимумы электронной температуры не совпадали с максимумами плотности, и электронное давление P=fl-1Q асимметрично в полоидальном направлении. Полоидальные электрические поля характеризовались большими амплитудами флуктуаций, в отдельных зонах до 80 B/cü. При этом наблюдалась зависимость среднего полоидального электрического поля от полоидального угла, причем направление этих стационарных полей в разных полоидальных зонах было разное, что качественно можно объяснить из условия нулевой циркуляции потенциального электрического поля при полном полоидальном обходе. Стационарные радиальные электрические поля Е ^ такие зависили от полоидального угла. Характерным было систематическое их направление от центра плазмы к стенке камеры в тени лимитера. При этом минимальные поля ~10-30 В/см наблюдались на внешнем обводе в полоидальной зоне 90°-270°, а на внутреннем обводе они достигали ~ 100 В/см. Для некоторых полоидальных зон (в =45°, 180°, 270°)наблюдалось изменение знака Е^ при переходе в область малых радиусов X. < сс . Сложный характер полоидальных и радиальных зависимостей, иногда знакопеременный, электрических полей свидетельствует о пространственной неоднородности пристеночной стационарной конвекции, обусловленной ЕхВ дрейфом. Знакопеременные полоидальные (а для некоторых зон и радиальные) зависимости полоидальных и радиальных электрических полей свидетельствуют о значительных изменениях направлений потоков

плазмы на малых пространственных масштабах. Это указывает на наличие макроструктур потока плазмы в периферийной области разряда.

В §3.2 представлены результаты экспериментального исследования .свойств пристеночной турбулентности.

В п.3.2.1 рассматриваются радиальные зависимости и корреляционные свойства турбулентности. Отмечается сильная зависимость всех параметров турбулентности от малого радиуса. Выявлена определяющая роль корреляционных свойств в формировании радиальных профилей радиальных флуктуационных потоков плазмы, обусловленных корреляцией локальных колебаний плотности плазмы и полоидальных электрических полей. Зарегистрирован неоднородный пикированный радиальный профиль радиальной компоненты турбулентного T%f потока (Рис.2). В зоне, малых радиусов-т. =3,2-3,4 см турбулентный поток тлел максимум, здесь корреляции были существенно выше, чем для 7 < 3,2 см и зоны тени лимитера. Такой неоднородный пикированный радиальный профиль турбулентного потока, который наблюдался во многих полоидальных зонах, свидетельствует (из условия непрерывности потока) о возможном существовании двух или трехмерных структур потоков частиц. В этом случае, непрерывность должна соблюдаться ' лишь для интегрального (по поверхности плазмы в токамаке) радиального потока частиц. Приведены результаты измерений масштабов турбулентного перемешивания в полоидальном и тороидальном направлении, которые были соответственно~0,5 и 1-4 см.

В п.3.2.2 приведены полоидальные зависимости параметров турбулентности. Амплитуды флуктуаций полоидального электрического поля и плотности проявили сильную зависимость от полоидального угла, наибольшая амплитуда флуктуаций (до 40-80 В/см) наблюдалась в верхней и нижней области тора. Минимумы относительного уровня флуктуаций П/П совпадали с максимумами средней плотности. Коэффициенты взаимной корреляции колебаний п и Е0 зависили от полоидального угла. В тени лимитера асимметрия была наиболее выражен -ной, здесь максимальные коэффициенты корреляций - 0,44-0,7 наблюдались на внутреннем и внешнем обводе, минимальные ~0,2-0,3 были в верхней и нижней области тора. Зарегистрирована знакопеременная полоидальная зависимость радиальных турбулентных '£сВ потоков плазмы vJf с максимумами (~ (4-6) ■ ) при полоидальных утлах 0=90° и 135°. В верхней области тора Т^ был направлен преимущественно к стенке, а вннияней части,- к центру разряда. Кокректигные потоки ~1022 м"2с-1 были систематически выше турбулентных, за ис-

¡сличением полоидальных зон О -90° и 315° с повышенным турбулентным переносом, где радиальный фяуктуационный поток был сравним и даяе несколько превосходил радиальную конвекцию. Полоидальные компоненты конвективных потоков в тени лимитера были систематически больше радиальных, за исключением внутреннего обвода, где обнаружена радиальная конвекция от стенки к центру плазмы. В то же время радиальный турбулентный поток на внутреннем обводе был направлен к стенке камеры. Различие во взаимном направлении турбулентного переноса и конвекции наблюдалось такие в некоторых других полоидальных зонах (9 = 135°, 90° - в тени лимитера). Суммарный турбулентно-конвективный ЕхВ поток (суша турбулентного и конвективного потоков) на внутреннем обводе был направлен к центру разряда. Направление этого потока определялось, как правило; направлением стационарных электрических полей. Полоидальная зависимость радиальной компоненты суммарного потока имела знакопеременный характер. Конвективный электронный тепловой поток, определявши Г^ и Т , имел наибольшие значения (~ 50-120 кВт/г/0 в верхней и нижней области разряда в радиальных зонах, соответствующих кромке лимитера, причем деля, определяемая флуктуационтш переносом, составляла 1-10 кВт/м*\

В §3.3. представлены результаты исследования спектральных характеристик пристеночной турбулентности. Типичный спектр (рис.3) отражает турбулентный характер флуктуаций. Спектры зависили от по-лоидального угла. На частотных спектрах не наблюдалось устойчивых выделенных пиков. В целом, спектры колебаний ленали в частотном диапазоне 10-500 кГц. В зонах с малой плотностью плазмы (главным образом, в тени лимитера) основная доля колебаний располопена в частотном диапазоне до 100 кГц. В области высокого турбулентного переноса основная доля ЕхВ потока частиц переносится колебаниями с частотами 10-100 кГц, в тени лимитера такой частотный диапазон 10-400 кГц. К-спектры турбулентности зависили от полоидального угла и характеризовались шириной от 2-5 см"^ до 15 см . К-спектры быстро спадали для больших Кд. Характерным было резкое ушире-ние к-спектров в радиальных зонах, соответствующих кромке лимитера X а а . Отмечается, что в этих зонах падали корреляции колебаний плотности плазмы и локальных полоидальных электрических полей. Зарегистрирована полоидальная неоднородность характерных полоидаль шх волновых чисел Кд, характеризующих область максимума К-спектра В тени лимитера в верхней части тора Кд =4-5 см-^, в. то время,как на внутреннем и внешнем обводах разряда Кд соответственно~1-2см~*

и ""3 см"1. Фазовая скорость распространения волн и неоднороднос-тей в полоидальком направлении для.внешнего и внутреннего обвода з тени лимитера оценивается, соответственно, величиной (1-1,2)-10^ см/с и (0,2-0,5)-10® см/с. Направлена она в обоих случаях • сторону ионного диамагнитного дрейфа.

В §3.4 представлены результаты экспериментального исследования ТОПОЛОГ"!» турбулентно-конвективных потоков в пристеночной плазме. Экспериментально обнаружена сложная картина течения плазмы (рис.4). Проведено специальное исследование, указывающее на временную стабильность ориентации в пространстве векторов электрического поля, а значит и векторов потоков плазмы. На внутреннем обводе обнаружено течение плазмы от стенки к центру плазш. Преимущественное течение плазмы внутрь разряда обнаружено такие в некоторых других полоидальных зонах. Обнаружены полоидальные зоны (0 =90°и 315°) с повышенным радиальным выносом плазмы на стенку. Наблюдаются зоны, где поток значительно изменяет свое направление на малых пространственных масштабах, это представляет определенные свидетельства существования макроструктур потока. Отмечается, что для полного выявления деталей картины такого сложного течения необходимы дальнейшие экспериментальные исследования с использованием зондовой системы, обеспечивающей более высокое полоидальное разрешение.

В §3,5 обсуждаются результаты экспериментального исследования свойств пристеночной плазмы в токамаке ТФ-1. Отмечается, что сильную полоид&льнуа асимметрию средних параметров плазмы, по крайней мере частично, можно объяснить эффектом локального взаимодействия плазменного кнура с полным полоидальнкм лимитером. В результате постоянного горизонтального смещения центра шнура относительно центра кокеры ( на ~3 мм .¡аружу), вызванного тем, что в ТФ-1 отсутствовала система управления положением шнура (он стабилизировался только за счет, медного кожуха), с плазмой эффективно взаимодействовали два лимитера: один локальный на 'Внешнем обводе в области касания шнуром лимитера и второй полный полоидальный. Три минимума, наблюдаемые на полоидальных профт'лтх плотности плазмы, могут интерпретироваться как результат такого взаимодействия (запас устойчивости был за счет винтового преобразования

зоны возмущения. Отмечается, что ситуация, характеризуемая локальны!.! взаимодействием плазш с лимитером является типичной для крупных токамаков, т.к. в них одновременно используются несколько различных лимитеров, включая и рельсовые лимитеры, возможны тлкле

неконтролируемые смещения шнура относительно центра камеры. Отмечается, что сложная картина поведения пристеночной плазмы наблюдалась в токамаках АРссх/оЪ С и ТШ с полоидальными лимитерами, свидетельства существования сложного течения получены такие на тока-маке TEXTOR с тороидальным лимитером.

Ряд наиболее важных черт поведения периферийной плазмы обнаруженных в экспериментах на Т<5-1, в частности, течение плазмы от стенки камеры к центру разряда, предсказывается в рамках модели Л.В.Недоспасоки др., учитывающей взаимодействие Пфирш-Шлютеровс-кого тока вдоль магнитного поля с полоидальным лимитером.

Отмечается, что с наличием зон с потоками к центру плазмы связано, по-видимому, поступление в основную область разряда примесей. Полоидальная асимметрия конвективных потоков будет приводить к неоднородной тепловой нагрузке на лимитер. Грубые оценки баланса потоков частиц, выполненные с использованием измеренных величин ЕхВ-транспорта, указывают на то, что баланс потоков соблюдается. Однако, тщательное рассмотрение баланса потоков частиц требует значительного разрешения по полоидальному углу, а также учет течения плазмы, связанного с градиентами давления.

Приводится сравнение экспериментальных данных с предсказаниями теоретических моделей,в частности, рассматривающих дрейфовые неустойчивости. Отмечается, что эта теория не может объяснить бомов-ские коэффициенты переноса для наблюдаемых экспериментально волновых чисел Kq~I-4cm~* в пристеночной области. Предсказанные ею величины Kq?/~I-0,I и tl/fl~0,01-0,3 не согласуются с измеренными Кд?<~ 0,01-0,1 mtl/fl~0,2-0,7. При этом экспериментально измеренная фазовая скорость флуктуаций направлена в сторону ионного диамагнитного дрейфа в тени лимитера на внутреннем и внешнем обводе. Токово-конвективные (резистивные) неустойчивости не могут объяснить полученные экспериментальные результаты в тени лимитера, где не протекает основной ток. Вне тени лимитера эта неустойчивость также не в состоянии объяснить всех экспериментальных результатов,в особенности радиальных потоков частиц.

Основные черты полоидальной асимметрии пристеночной турбулентности находят качественное объяснение в предложенной А.В.Недоспа-совым модели желобковой неустойчивости неоднородной плазмы в неоднородном магнитном поле при VflÜVB с проводящими торцами. Эта модель объясняет наблюдаемый уровень флуктуаций плотности, уровень турбулентных потоков.

В четвертой главе представлены результаты исследования фрак-

талышх свойств низкочастотной пристеночной турбулентности . тока-маке. С помощью методов нелинейной динамики обработаны экспериментальные временные ряды флуктуирующих зондовых сигналов, получены данные о фрактальных размерностях и энтропии Крылопа-Колмогорова-Синая пристеночио1 турбулентности плазмы.

В §4.1. рассмотрены подходы нелинейной динамики к описанию нелинейных механических систем. В плазме токамака, описываемой в приближении магнитной гидр0дина!.1ики, из-за конечного числа возбуждаемых мод, возможно проводить анализ устойчивости движения такяо, как и в механической диссипативной системе, описываемой конечным числом переменных« При этом фазовое пространство состояний системы становится конечномерным. В диссипативной системе траектории притягиваются к множеству точек, являющемуся странным аттрактором. Фрактальная размерность турбулентности отражает число нелинейно взаимодействующих колебательных мод, приводящих к турбулентности. Колмогоровская энтропия характеризует среднюю скорость потери информации о состоянии динамической системы с течением времени. Изложена методика определения фрактальной размерности системы и ее колмогоровской энтропии из временного экспериментального ряда. На основе этой методики были созданы вычислительные компьютерные коды, которые тестировались для известных теоретических моделей с известной фрактальной размерностью. Обсуждены погрешности определения фрактальной размерности, которые составили' величину

В §4.2. приводятся результаты определения фрактальной размерности и колмогоровской энтропии экспериментальных сигналов. Обрабатывались временные ряды флуктуирующих зондовых сигналов тока насыщения, связываемые с плотностью плазмы, и полоидальных электрических полей. Время дискретизации сигналов было 50-800 не. Получены данные о фрактальных размерностях флуктуаций П и Ед в поперечном сечении токамака. Результаты указывают на существование странного аттрактора в пристеночной турбулентности. Размерность имеет сильную полоидальную зависимость в тени лимитера. Минимумы.фрактальной размерности "4-5 были зарегистрированы на внутреннем и внешнем обводах разряда. Вверху и внизу тора размерность была больще 10-11. Размерность изменялась также и в радиальном направлении. Колмогоровская энтропия пристеночной турбулентности была больше нуля, 0,15-0,3. Различие размерностей пристеночной турбулентности отмечаемое в некоторых токамаках, где проводились локальные измерения, возможно, связано с зависимостью размерности от полоидального угла, как это было обнаружено в ТФ-1.

В заключении сформулированы основные выводы работы:

1. В результате проведенных экспериментальных исследований процессов ЕхВ переноса плазмы в периферийной области разряда токомака ТФ-1 было установлено, что пристеночная плазма токамака проявляла значительную полоидалькую асимметрию. Эта асимметрия выражалась в существовании нескольких минимумов и максимумов средних параметров плазмы на полоидальном обходе. При этом полоидаль-ные вариации плотности достигали 5-8 раз, в то время как вариации электронной температуры не превышали 2-3 раз. Полоидальные вариации масштабов радиального спадания как плотности плазмы, так и электронной температуры были значительны и достигали одного порядка величины. По крайней мере частично, наблюдаемая полоидаль-ная асимметрия являлась результатом локального взаимодействия плазменного шнура с полным полоидольным лимитером из-за постоянного горизонтального сдвига ецентра плазмы относительно центра разрядной камеры.

2. Течение плазмы в периферийной зоне токамака имеет сложный характер. Имеются свидетельства существования двухмерных макроструктур турбулентно-конвективных потоков. В тени лимитера преобладает полоидальная ЕхВ конвекция в радиальных электрически полях, которые имеют преимущественно направление от центра плазмы к стенке камеры. На фоне преимущественно полоидальной конвекции существуют мощные турбулентные потоки частиц (Г-ЧЮ^-М^*" i обусловленные корреляцией флуктуация плотности электрических полей, которые могут обеспечивать эффективный коэффициент диффузии порядка боыовского. Коэффициент турбулентной диффузии проявляет зависимость от полоидального угла. Существуют зоны с высокими стационарными электрическими полями до 60-80 В/см, где радиальная конвекция значительно превышает турбулентные потоки.

3. Радиальные потоки частиц, вызванные турбулентностью, имеют максимальную величину в верхней и нижней областях разряда. Доминирующим фактором, влияющим на полондальную зависимость турбулентных потоков, является амплитуда флуктуаций электрических полей.

4. Важным новым результатом представляется обнаружение зон в периферийной области разряда токамака, в которых течение направлено от стенки вглубь плазмы. Такого рода зоны могут служить источником проникновения примесе*! в разряд.

Существование зон с обратным радиальным течением плазмы подтверждает предсказание теоретическо** модели А.В.Недоспасова и Г-Л.Петрова, основанной на анализе взаимодействия Пфирш-Шлютеров-

6. Budaev V.P., Eogomolov L.M., Borov&ky B.V., Ivanov S.S., Lazarev B.D., Nedoapasov A.V., Rakoves A.A., Syehev Y.N., Trapoznikov ru.A., Chernilovsky A.V., Croos-fielrt particle transport in edgo plasma of tokamak ТУ-1. 9-th int. Ccnf. on Placma-Surfaoe Interactions in Contr.Pub о Pôvicco, 19s0f Bournemount, № R03» p* 117»

ского тока с проводящим полным полоидальным лимитером.

5. Полоидалькыо вариации турбулентно-конвективных радиальных потоков тепла, выносимого в лимитерный слой могут вызывать значительную неоднородность тепловой нагрузки на лимитер.

6, Пристеночная турбулентность в токомаке Ï'2-I характеризовалась широкими сложными спектрами 'флуктуация своих параметров с типичными частотами до 500 кГц и типичными волновыми числами 1*4 cm"Ï Потоки частиц, вызванные коррелированным характером флуктуации электрического поля и плотности плазмы переносятся в частотном диапазоне, главный образом, ниже 100 кГц. Типичная длина ячейки перемешивания в полсидальноы направлении составляет~0,5 см,

а в тороидальном направлении эта длина оказалась в 2тв раз вышз.

Пристеночная турбулентность как стохастическая система характеризовалась существованием странного аттрактора с относительно низкой фрактальной размерностью. Установлена сложная зависимость фрактальной размерности от полоидаяьного угла, причем ее минимальное значение 4-5 наблюдалось на внутреннем и внешнем обводе тороидального разряда.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Будаев В.П., Иванов P.C., Колесников В.К., Попов С.Л., Хейфец Л.М. Исследование турбулентного переноса плазш в тока-маке ТВ-I. -Препринт ИВТАН №7-143. M., 1984, 35с.

2. Budaev V.P., Ivanov H.S.- ïurbulence-inducad plasoa transport in tokamak TV-1 - Proc. on 12-th European Conf. on Controlled

Fuoion end Иавша Hiyaics, 1935, Budapest, 2-6 September, Part 1, p.303-306.

3. Budaev V.P., Ivanov E.S,. Correlative properties of edge plaoma turbulence in tokamak TV-1. - о. of Nuclear Materialo, 1989» v. 162-164, p.322-326.

4. Berezhetskii M.S., Budae.v V.P., Ivanov R.3.., Rakowez A.A., Popov S.H., Kholnov Yu.V., ¿ndryukhina E.D., Dyabilin K.3. and Fedyanin O.I. Structure of the plasma and enorgy balance near the limiter in the 1-2 Stellarator. - J. of Nuclear Kater., 1989, v.162-164, p.831-838.

5. Богомолов Л.М., Боровский Б.В., Будаев В.П., Иш.чов P.C., Лазарев Е.Д., Недоопасов A.B., Раковец A.A., Сычев В.Н., Трапезников Ю.Л., Чернилевский A.B., Исследование турбулентно-конвективных потоков плазш на периферии токаыака TS-I Препринт ИВТАН №7-272, IL, 1989, 15 с.

Рис. I. Многоэлектродная зондовая система для измерения полои-дальных зависимостей параметров и потоков пристеночной -плазмы. На внутреннем обводе тора полоидальный угол 6=0°. При измерении потоков плазмы использовались группы зондов, в каждой из которых пара зондов №1 и №2 предназначена для измерения полоидального, а пара №1 и №3 - радиального электрического поля, зонд №4 предназначен для ионного тока насыщения.

'5.2. 3.4 3.6 З.д 4.0 •г, см

Рис.2. Радиальная зависимость турбулентного (флуктуационного) радиального потока плазмы, внешний обвод.

300

400

Ш)ГП И 11 I I 11 _1'1 И I И I . -I И 11

~ЮГ9 -Г,2 -3,6 1Г О i 5,6 Кг 10,9

Н&, см

Рис.3. Спектр ¿(Кд-и) пристеночной турбулентности плазмы.

0=0° =3,2 см, V =135°. Положительное направление к„ - в сторону ионного диамагнитного дрейфа.

Рис.4. Векторное поле турбулентно-конвективных потоков плазмы Гг в поперечном магнитному полю сечении. Пунктирная окружность - геометрическая тень кромки лимитера. Для представления данных произведено конформное увеличение радиальных масштабов в диапазоне (3,0; 4,0] см. Расстояние между изображенными векторами в радиальном направлении - I мм.