Исследование ионного компонента плазмы при дополнительном нагреве в токамаке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Московский Ордена Градового Краевого Знамени Физико-технический институт

РГБ ОД

О О KT "'qs* .'

На празях рукогдаси КРАСИЛШЖОВ Анатолий Витальевич

УДК 533 .918

ИССЛЕДОВАНИЕ КОННОГО КОМПОНЕНТА ПЛАЗМЫ ПРИ ДОП(ШЙГГШНОМ НАГРЕВЕ В ГОКАМАКЕ

01.04.08. - физика и химик гиазмы ,

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание учено?, степени кандидата физико-математических наук

Носхвэ, IS94

РаЗота выполнена в Троицком институте инновадгонных и торшядерпьа исследований.

доктор физико-матэматичесгая наук Э.А.Азизов

кандидат физико-математических наук Й.А.Хован '

доктор физико-математических наук

B.В.Готг

кандидат физико-математических наук

C.Е.Грабэнщкков

Ведувдя организация: Фигкко-твхнлческка институт

км. А.Ф.Иоффо (г.Санкт-Петербург).

Заш>гга диссертации состоится . 1994 г. в

часов яа заседании спадаализкрсваянаго совета К 083.91.09 факультета пройявм физики и энергетики Московского физшо-тэзашчесхого института по адресу: 117333, г.Москва, уд.Профсоюзная д. 84/32, к.В-2, Отзыва направлять по' адрэсу: 141700, г.Долгоирудош Московской ойдзста, Институтский дар. 9.

С диссертацией мсжко ознакомился з бийлиотекв МФТИ.

Автореферат разослан " ' сентября 1994 г.

Учеаыи секретарь стциализировааяого совета

кандидат технических наук Чубинсима Н.П.

Научные руководеголи:

Официальные оппоненты

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для осуществления управляемого термоядерного сюпеэа в токгмакв необходимо создать плазму о достаточной ( 2-0+30 кзВ ) твглгоратуроя, удеачвтаорягащпо крутержо Лоуоона 'пвг£>2*1014ск~°с} .Для создания такой твр^ряда^ой гиазкы необходимо глубокое понимание механизмов нагрева, теплопроводности, диффузии ионов з плазме токзмака. Эти. механизмы в настоэдаэ время изучены дзлекс не полностью и для их более глубокого понимания необходимо пркменэние икещися в наличии и разработка новых диагностических методов, которые» позволят определять температуру и ксншатрзцда плазмы, их пространственные ргспродэлэкия, функцию распредзлезкя ионов по скоростям. Знание профилей температуры и концентрации ионов позволит определять величины коэффициентов диффузии плазмы и теплопроводности ионного компонента, профили вводимой мощности, изучать процессы пгроноса поперек магнитного псля. Понимание физики процессов переноса позволит более» эффективно вести работы по определение осковяых параметров и конструкции термоядерного реактора на основе токамэкэ. Определение прострап ствеянмэг распределении указанных параметров и их эволюции во времени важно для' установления закономерностей и эффективности методов дополнительного награва плазмы, таких как нейтральная ишэкция, ионно-цизслотронныя нагрев <ИЦК), адиэбаткческсе сжатиэ. Важкеашео место среди методов диагностики плазмы занимает корпускулярная диагностика, методы которой позволяет определять ряд параметров, характеризующих ионный компонент плазм» и плазму в делом на основе анализа спектров ччстиц, покидающих плазму и явлений, возяиказдгас при взаимодействии частиц диагностических пучков с плазмой.

На современных установках существенное вникание уделяется дополнительному нагреву плазкы. функция распределения ионов в режимах с дополнительным нагревом может быть заметно не. мэнсвелловсюя, а энергия вкладываться пространственно неоднородно. Интерпретация данных корпускулярной диагаостики в таких режимах в определенной степени затруднена и требует математического моделирования.

Динамика функции распределения ионов при достижении

1мра««фоя в юкачахе зесмюггескйми метисами язгревз бугат • окдаиБЭТЬ сзлц&стваяаое влигшго на их аф^юктивноеть и кпомкнносгь иротекзнил тсрлоядэртох. регкщга. Болов детальное ивучеяиэ уволяня»! фушалз* ра^тредв-мия колов оснсвдого компонента я заряженных щюдуктов терютядерльас раакшяг при .дополнительном нагрет « го/сэягкэ - создакиз соотв&тсгвуквда изкаритель;;оа аппаратуры и кгггэматкческих мэде.гой физических проадсссв позволит отгню?.иррЕэть процедуру вааолз ка режим зажигания и горзниэ в тоюодкэ -реакторе.

.. Цэлыо работы являлось: . г- окспорЖетЪлыюе и расчетное ксалэдрвжад поведения функции раалхделекия жояов в гаазда токомака при адиабатическом стати и юшя>-ц»жлотрпнвом катрене,

- реализвдая шгодоз корпускулярной диагностики иоаов основного !<дадатента шизмы

- разработка методов диагностики - зарпшпкьгх продуктов термоядерных реакция.

Научная новизна работы состоит в том, что е ней впервые:

17 ""^взрзбстаяы дпумоъпыа в кинетическом пространстве матемэтачзскш кала двд моде-ясровзьта эзолшии функций ргсирадемония ионов плазмы при адиабатическом сжатии и у.сииа-цкоотрошюм нагрезэ.

2. С использованием созданных математических кодов, с учетом кулоновских стожневэний, транспорта и патзрь, обусловленных шрезэрядкои, методами корпускулярной диагностики лроьедовы эпсгэримэгггальЕью исследования динамики функций распределения йоноа в яркооавой .области шээны токомака при адизбзтическом сжатии и ионно-вдкдотрокном нагреве.,

а. С использованием созданного математического кода проведены зкедаримекталышэ исследования зффехгизкоети нагрева дейтерия в схеме моннс-шг-готроняого нагрева с малой добавкой при различных профилях ввода мощности ИШ.

Практическая цзнность работы.

Т7 ЁазрйЗоташэ двум-эрнъю кинетические коды наряду • с кс/Делироззнкзм даяамихи функции распределения иоьов позволяют'

вносить количественные корректировка той опродадании энергосодержания ионного компонента по сгактр&м атомов перезарядки. . и рассчитывать зффэктивяости кягреаа при магютгнпм эдаис.чтпгйском сжатии и ИЦН с анизотропной функцией рчспродаимшя.

2. Дополнение ргтв сущзстаопаЕаш матодики расчетов "пассивных" и "активных" . потоков гтомов Ьэр?заредки из токамзкз расчетами стчциовэриого простракстзснлого распределения гало-нвятратея, а также ."пассивных" я "активных" потоков и профилей .ЛИНИЙ Н0' и К^. посветили СДРЛЗТЬ ВЦВОД 9 возможности • применения различных корпускулярных методов ' на 'Ю-сзкаке ТСП, определили состав созданного коиатаюа корпускулярной я/агностик*. Комплекс позволят изучать физину нагрева ионов {»вешимо функции распределения, профиль ввода модности), установить"ленгвньа квйэлч -пегерь из ионного. кодазненга, определять характер ионного энергобаланса, а таю)® пронодеть исследований ионного 'компонента . .во время ЖЦ-мдаианка.

3. С помощью ' созданного математичесхого ' кода для реэтетов тскамзков ТСП и С1Т прадокоче-тркреваш!?' вшкошости регистрации функции распределения удерживаемы* л-чзотиц с использованием диагностических пучкеа атомов

Показано, что использование* пучка агемоэ 3,че с энергией 90200 КэВ и интенсивностью "0.1 А позволит тзроводтгь регистрацию функции распределения «-пзетвд вплоть до энергий 0,7 и 1,5 МэВ соответственно. <Гакой пучэк иоиет- йыть создай через ион

4. Создан комплекс .корпускулярной диагностики ГСП. Проведены ■' измерения тэмгаратуры ионов нэ установке ХОП с использованием одноканальяого анализатора атомов перезарядки "АКОРД".

.5. Создан комплекс корпускулярной диагностики на Токзмаке-ПМ. Проведаны жзкер&кия эволюции Функций

распределения водорода (добавка) к дэйторхя при 1ЩН яа различных могнитйых поверхностях Т-13 и Т--11М методом пассивно? корпускулярной диагностики.- Показало, что при рагмаиэиии зоны циклотронного резонанса на оси токамакз эффективность нагрева 1!ревашавт таковую для схемы нагрова с оо ра'зяевдвием вне оси.

На азидету выносятся: I. Создшпй~1 примэнвчиэ ком/иэксав корпускулярная догкостияи дгя регистрации функцуа рзоярздзлзгаш иолов плазмы на токамаках

ТСП к т-ш.

Z. Разработка к приваденке даукеркых в кипотичоском пространстве математкчэскюс кодов мп ноделировэния эволюции функции распределения канон плазмы при адиабатачзском сжатии и ионно-цкклетроаном нагреве. *

3. Результаты экспериментальных и расчетных,-с использованием созданных «аткчаскях кодов, исследований динамики функций распределения иэнов в прюсевой области плазмы токамака при адиабатическом сжатии и ионЕо-цисготроняои нагреве.

4. Результаты расчетов го модэлироваета, потокоз атомов перезарядки и фотонов для определения возмскностэй активней корпускулярной и ксрпускулярио-спектроскогшчэскоа диагностик в режимах Тактэка с скяьяым шлам.

5. Результаты расчетов по моделировании возможности реализации активной корпускулярной диагностики удерживаемых л-частмц на токаиахак iter, ctr, ТСП.

Апробация работа.

¡Зс"нозные~рвзультать;, изложенные в диссертации, докладывались и осуждались на:

1. "in Всесоюзного совещания ш диагностике высокотемпературной плазмы" (Дубна, 1883).

2. Межотраслевой научш-техничесжоя конференции "Взаимодействие издучэкия, плззкешшх к злэктроншх потоков с веществом"

' (Москва, IS84).

3. Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УХС {Звенигород, I9S4 и 1937).

4. MAGATE ы-partlcle Technic»! meetting (Kiev, J.9S0).

Цу&дюсацяи.

1Б""ыатерйадгм диссертации опубликовано 15 печатных райот. Структура и объем диссертации

ЭДксергтздин состой1 из "введения, четырех глав и заключения, содержит' /50 страниц, вюжчэицих 39 рисунков и библиографию, ссдзряаяую 77 наименований. - . .

с

Содсрканда работы.

Во введении обоснована экгуатъностъ те,та .циссвотзции. дона краткая характеристика ис.ол&дуэу.ыт; проблем, сформулирована цель работы. Кратко излккенн содержанке, страту диссертации и перечислены основные результаты.

В п&рвог глазе представлен !сраткка обзор результатов по иснно -циклотронному "нагров.у плазмы в сземе с малой добавкой на токз.маках средних размеров, рассмотрен' механизм нагрева ионов ггри ионьом цдалотрокнок нагреве в ехегсэ сиалои.добавкой. Рассмотрены- основные физичзскио процессы имещие место при ИДИ: всзоужцэниз и распространение волн в ти.зтэ, :гх поглсп;окй6 . Показано влияние величины относительной концентрации кэлоа дсбав кл на распространение и поглощение быстрой мггнито-зпуково? волны.

Благодаря резонансному поглощению /онэми добавки энергии БМЗ-волнш, обрэтнопрюпоршонэльноя зависимости тороидального магнитного ноля от большого радиус? тора, иокь: с заданной '/в будут резонансно взаимодействовать с волной только в окрестности определенной й ~ооп ь* (В-сопе).) поверхности, определяемой из «с1 (й)=(«-к,у|) >. Еирмяа этого резонансного слоя слрэдояяется спектром к а возбужденных воля и распределением по предельным скоростям нагреваемых ионов.

При ИШ! с использованием малой: добавки резонансные ионы благодаря кулоновския столкновениям передают подученную энергию другим, нерезонансным частицам плазмы. Дчя проведения математического моделирования эволюции фуягазот ,распределения резонансных ионов на магнита«? оси токзиакз и эффективности нагрева ионов дейтерия при ИЦН решалось двумерное кинетическое урзвнекиэ

— = Г — 1 + ! — I + | - !

«п -"саг. 1 <п -'с 1 л 'тг<

в которое были введены члены, отгисывзкэдо гсиазшинеяную диффузию, обусловленную циклотронные поглощением, к.улпневекго сголкксьения и потери знер!.ки за счет транспорта и перезарядки.

Квазилинейный член , описывавший циклотронное

поглощение волны ( к,к ) резонансными ионами, был приложен в С X J. В соответствии с классической работой Стикса [3],

пренюброгег: нертзонаасными компонентами Е. и ±Еу целя волны Е - Ке(*.Ех+уЕу)«хр(иг-и>г> < ось х направлена вдоль большого рэдауеэ тора, г - вдоль торокдалыюго мах-китного поля ) и кв^нюшеанов диффузией вдоль магнитного поли, в описываемой модало квазилияэгшцй члзн для нагрева Еа первое гармонике циклотронной частоты брался з видо

4х <Р> , д,»,Ч|2г И-соей сояб сов21?

— — +

(VA . I СГ ЛТУООСТ Vi wnv

4t 4»vfi(l ' L V <W V2ainÖ ae

+ eir."9

О*1? COsZ0 <J2f eiuö ¿2f

¿w2 '-a A?2 v dwiö

где: й—угол моиду скоростью частиш V и магнигным полем. 'Ул.у/{2т10/ш)0-6, ^-функция Босоеля, <?>-усредненная по мзгнютой поверхности поглощаемая мощность» з и теплота ость а начальная температура резонансных ионов.

КуЛОНСВСКИЯ Ч-ГОН

г > г -1. г с ь 1! +

9*. -'с I- да 2Т,„ I- V №

11 10 а

^ ГО1 ае(У> »1 П1 -I

--- + а { + „1 {(у) +

" _ п ау п> 1 п, ® ->

2Т.Г in V W

.10 в е в

Vi Vi J eine ю oe-'J

__3/2

ГДЗ =

ч 2 n $ n^InA

описывает изменение функции распределения резонансных ионов, обусловленное столкновениями с ионами дейтерия к электронами [3]. Принималось, что даягоны и электроны имэюг маясвелловские функции распредэлэпия и г^^-х. > Транспортный член - (oi/<?t)TH, описывал потери энергии.

связанные с оадаэльным пор«косом и перезарядкой.

В модели принималось, что иски деятэряя йтокгг «.-¡[¡евэллоаскую функцию .распределения. Приращение "¿х температуры на кавдом временном шаге» опрэдслялось та рвении уравнша«г. энергобаланса;

. Данный код позволил провоста моделирование функции распределена попев .для режимов 1СП, испил авалей при иссладован\1ЯХ зводвции ионного компонента плазмы T-I3 « "-ИМ.

Созданный код удовлетворительно описывает анизотропию функции распределения иопоь дсбавки, возникновение Бьгсог.ой.тесготкчй^х ЕвМЭКСВЭЛЯОВСКИХ хвостов при ИНН.

Моделирование ШШ на порвоа гармонии осноепогс компонента ионов показало , что при даяшя схеме» нагрева анизотропия функции распределения гораздо у.овыв, з эцфзкг образования высокознерппичных лбосгзе малозаметен.

Отклонение функции распределения от наксводловскоз при УРДН приводит к усложнении связи не«ку найлоном 1г. 11 и средним энергосодержанием резонансного ионного компонента. Для услзьля ТСП расхождения знэчкгольяы (для водородной добавки ~ ±50%), Уго оостоятельстзо нужно учэткват ь при анализа иокекоякл оаертосодоряания резонансных данов при ИЦН.

Разработанный кед пэьволлл провести моделирование) эволюции энергосодержания изкдах кокпошкг плазмы для. режимов Токамака с сильным полом. Результату расчетов покакали, «гго за времена 4.0 кс энергосодержанию ионяьа кокгкжчгг достегает значений, б.мзхш; к стационарным. Полученная в расчётах эффективность нагрева

Чп = &T{3B>/io13* п<см~3)/Р(Вт) деатерия для ехэмк с добавкой aiui2 составляет е. зВ/Зт. Для эффективности нагрева деатаржя » схоиэ с дойаышк водорода получена величина nh-2 .в я Б/Dr. Таким образом, расчёты показали, что йлагодарк 0 о лее ивгтанс/шоа передаче зкбргкк за счет яулсновских столхяованиа из гелиевой добавка в двятэрий, том иа

■э

водородной в доятэриа, cxckü нагрева с добавкой и« б 2,о раза эффективное, чем. схема с водородной дсСазкоа.

В разделе 1.3. представлены результаты экспериментальных ^следований /инамикк ионного кемпонедтз плазшь: при мокко-деклптрояяом наг{х;та . но Гокамгда-13. Эксперименты ш ШШ гроводалиоь ' при следуюдаог параметрах плазмы: в - 40сн. л а у.ь

ск, тек плазмы 1 = зо + 35 кА» тороидальное магнитное полэ на оси кнура Dg- 1,14 1,з т, максимальная кояшнтрация плазмы в центре шнура я,+ 3' г0х3 см~°, начальная температура ионов

плазмы тч,- 90 -f izo зВ. электронов те0- leo 180 эВ. Описана ехзкз проведения эксперимента, показана целэсобрэзность размещения антенны со стороны сильного поля T-I3. Измерения функции рзспро;шания ионов дпгтория и водорода проводились с поыоадуо пыикаиальцого анализатора атомов перезарядки в режиме работы с мат.читс - электрическим анализом. Геометрия размещения анализатора чъ токауаке позволяла вэсти регистрацию функции распределения коков плззш, скорость которых перпендикулярна тороидальному магнитному пол». С помощью качания анализатора в вертикальной плоскости удалось провести регистрацию функции распроделения ионов на разжчвых магпкгных поверхностях.

В зкетркмоитах о рзву.еарпкок зоны конверсии в центре плаамэрного шнура (зона ЙЦ-реэоиансз чоноа водорода расположена на периферии ся.урэ - п - <6,5 см. а - g см) было продемонстрировано увеличение анархии иоксв водорода в зоне Щ-резоааиса и низкая з'Коктипкость нагрева доатзрия.

В последующих экспериментах зона ВД-резоаанса для ионов водорода располагалась в центре плазменного шнура. В данной схеме нагрева использозались режимы без (ие0-- 1.&'ю13см~3) и с дополнительным напускай газа (nel)- ЗчЗ,ьчо13см~3). По сравнению с описанным выше режимом, нагрэв с расположением зоны ИЦ-резонанса в центре разряда характеризовался меньшим взаимодействием шнура со станкоа и более интенсивным нагревом иоков. Температура элэктронов в процессе ЙЦ-натреза оставалась постоянной и равной Те= ieo г 25 зЗ. В режиме с дохюлпительт-т напуском газа удалось ввести в плааму БЧ-моищосгь Рвч^ гокВт. Были определены профили температуры дейтерия пру. КЩ и без него. В режиме с локализацией зоны ИЦ-резсьаасг в цзнтрэ шнура и догалшггалъьым напуском гэза Ос±л реализован максимальный нагроа дейтерия, при этом эффективность нагрева составила - п = 3.5 зЗ/кВт

Представленная выше математическая модель эволюции функции распределения швов при. ЩН хорошо описывает динамику фушщии распрэдзлзяия водорода и . энергс-содеризвии в деатерии, в оисгаримэятгг на T-I3.

Б раздала 1.4. представлены результаты экспвр/мееталыш.

m

исследований КЦН на тскзмаке T-IIM. Применение нового способа боронизаши стенок разрядной кзмэры путем разложения карбораяов (31QC2H12) в гелиевом разряде позволило значительно улучшить характеристики с.устоскои стадии разряда, з г акта повысить эффективность юнно-циклотронного нагрева плазмы в токзмагсе Í-TIM,

В состав системы иояко-даклотрошюго нагрева плазмы Г-ПМ входит импульсный ВЧ автогенератор <Р 2MEr, МГц, л1вч <

100 мс),согласующие 3/4Х фидеры и компаета&я модульная резонансная антенна, являющаяся прототипом анголки 'ГСП. При сопротишонии излучения 0.5 Ом данная антенна способна обеспечить ввод в гцззму до I МВт ВЧ модности.

Лля регистрации динэмики функций распределения ионов был создан комплекс аппаратуры корпускулярной даах'яостжи [4.5] на базе созданных в ФТЙ ил. А.Ф.Иофйо и КАЭ та. И.В.Курчатова анализаторов "ЛАКМУС" и "АКОРД"

3 первых оксперм/ентах без йсродазэции ввод ВЧ моеиости (nH/n-,=5-I0%) сопровождался значительным увеличением радиационных потерь и приводил к срывам разряда при уровне мощности Р q s ТОО кВт. Эффективность ионпого нагрева в стад; ренсимах ке превосходила v - Г.О зВ/(кВт*ом *10 ). Такая низкая эффективность объяснялась интенсивным поройзлучением вводимой в плззму мощности высокозгрядными примесями.

Еоронизация стенок камеры су/цестсоано изменила картину >EJ нагрева. В течение ВЧ импульса радиационное потери из плазмы практически не увеличивались. Вво.я ВЧ мощности в условиях rrH/nD=7-*í-1" привода л HsipeBy конного компонента плазм;«. Эффективность нагрева коноз возросла в три раза по сравнению с режимами без боропиззции. При концентрация плазмы ñQ= 3.5*I0'i3cm"3 и ?в =200кВт ¡эффективность лэграва достигла типичных значение í>=3.S3B/\kBt*cm'4*I01-s). В процесса ИД нагрева наблюдался рост энергетического времени жизни т,,. сравнен® с омическими режимами с аналогичной динамикой плотности позволяет сделать вывод о том, что рост знерхегичэокого времени связан a ростом плотности плазмы в интервале ВЧ-кклулъсз, э ИЦН, в свою очередь, не приводит к ухудшению удержания энергии.

С помощью качания оси анализатора "ШМУС" в вертикальной плоскости <-1С см - +10 см) определялись распределения ионов да скоростям на различных магнитных поверхностях. При ИЦН была

и

зарегистрирована обуслозлеакая -дрейфом локально запертых ионов асуихкотрия потоков высоксзнэргетичных зтомое . перезарядки водорода.

Динамика роста ' температуры дейтерия на оси токамзкз при ШН удовлетворительно описывается с помощыо вышеприведенного двумерного кинетического кодз.Хсросмя совпадение. экспериментальных точек, соотьетствувщих приосевое ионной температуре при рас голо; :гаиии зоны .циклотронного резонанса на оси торг, с расчетом достигается при подстановке э код величины плотности .ВЧ-моащости, вводимой в лриоенвуи ( г < - радиус магнитной поверхности ч -- I) область, раввоя 0,45 Вт/си0*, Данная величина превыпавт в 2,2 раза знзчедш средней то объому пиззмы плотности ВЧ-мощности, что (.-.оотвзте гьуот представления« о пшотрованпости профиля поглощения БЧ-мсшности при Шл [33. Динамика приосовоя температуры дейтерия в условиях, в которых зона циклотронного резонанса располагалась в двух сантиметрах иг оси в изпразлэнии большого радиуса тот, 7фи той ко (100 кВт) моцеусти ШЩ удовлетворительно описызается кодом при подстановке плотности БЧ-мошности 0.35 Вт/см3.

Во второй главе прздетавлош экспериментальные и расчетные исс.тадо^^Т"о1юлю1с5Г'иоачого компонента пхзумы при адиабатическом сжатии.

Эксперименты по изучению з - сжатия в течение ряда дат активно ведутся на токамаках серии "Тумаи" в ФТИ ш. А.ф.коффо. 3 от ж экспериментах в ргзжимзх с тс<гЕ зарегистрировано изменение платности и температуры частиц, плазмы в соответствии с адиабатически* законом.

Регистрация поперечной функции распределения ионов на токаиако 1умзн-3 провгдатся о помощью приканального атомного анализатора, разработанного в ФТИ им. А.Р.Иоффе. При адиабатическом сжатии в' Хунана-3 (гв1г1.о-1 е*ю13ом~? т11=в5-1бозВ, 13?/вх= з. гсж= з.бме) за фушшии распределения поперечных по отношению к магнитному полю ионов было язрогистрирована образование Еь'сокозкергег.лкых хвостов. Для моделирования эволюции функции распределения исков при адиабатическом сжата! был создан математически ход, з котором решалось, даумерноэ кинетическое ург.ьнанш:

л а а I - а 1 . I !

- + V_ - «• V — г I - I +1 - (

6t и А Л "Г 'тр

гдр второй я трэтке члена; е лкв&й части ургэиняля описыззнт изменение функции распределения, связанное с измонокк-м мгс-датого поля, з члюкы в главой част я - с действием кулоновеких столкновения и транспорта ссотьетсгвожо. При сжатии по малому радиусу:

V . В

V, = О . V - -

2 В

и при сжатии по большому радиусу

Е 8

V( г V, - К V. - - -

в г в

В полярным ксордиаатам V и с, где <г •■ угол мезду напрзвлонивк тороидального магнитного поля к скорость«, получим для а - сжатия

—в , - -Га1тЛ> V * со«.* - ^р-Ч

21 О0 в "чн ■1ст]*эг 'тр

и для е - сжатия

—соей ~а1 - :• Г— 1 +

О*. 2 Оу 00 ■' В ■'ОТ^И -*Тр

Задача решалась в лилейном приближении. т.е. стслкЕоэительЕыз член (¿Гд/г>Ост описадзял изменение функции распределения частиц1 рассматриваемого вида « ( злнетрсвов или конов ) в результате столкновений с фоновыми чэспадами п. функция распределения которых предполагалась максвелловскоа, характеризующейся некоторой температурой т?.

Б математическое. модели было учгзло влипни© изпгитпого подл на столкнобитрльный члзн.

Транспортный член. описызал потери знэргки за счот радиального переноса и пероячряцки. '

Расчеты были проаодэны для различных соотнсиекия между врзмовгми столкновение и сжатия, пркчом выбранные соотношения сос/'зстслвуйт ремикан, получешг-лм в токамако Туман-3, и и^нируе.чьч.: в ГСП.

^ ТЬзультзти расчетов показывают, что для электронов анизотропия фуятдЬм Ъаспрод>?лшк.ч и отклонение самой функции распределения от уакссоловокоя но врэми схатия зырашиы значительно слабее, чем для иоеоь.

для конов анизотропия может оказаться значительной на начальной стадам смэтая лля частид с зшрлай, в 7-9 раз прсвьтакдай тепловую, причем при сжзтат по малому радиусу плазма ослгадзется частица,те с подарочными скоростями, а при сжатии по большому радиусу - частицами с продольными ( по отношения к Б ) скоростями. Ис расчетной Функции распределения коноб плазкы гытаол.<злссь увеличение лс средней кинетической анэргии в процессе сжатия: 2

ffiV

к = // - £(«,v) d¿> .-iv / fS f(ó,v) da dv.

2

. Наличие. неравновесной функции рзпределония приводит к увеличений зпергпккдзда в плазму при сжатии. Увеличение эффективности ¿нарговкладз возрастает с ростом отношения т, i/tC)),, еддахо для рэссмслтеяяьк режкмов оно не очень существенно и не прозссходит нескольких процентов.

СТКЛОНРНИЭ функции р5С/рР»Дв.ЖЯ!ИЯ от 1Г.ОКСВОЛЛОЕСКС2 ь процессе сжатия мдат оказать влияние нэ определение температуры иэксв по спектрам ' аточов перезарядки. Это обстоятельство должно учитываться при анализа измонения эп»ргосодор.кэшя ионов во время нарастания магнитного поля по данным корпускулярное диагностики.

Проведен анализ зависимости еффзятивноотй адиабатического награва пркосевой части плазменного икурэ от соотношения фазы пилообразных колебания и нгналэ сжатия, периода колебания и длительности сжатия, з такте наличия внутреннего срыва зо зромя . сжатии. Но ochcijo анализа экспериментальных данных с различных тояамаксв предлокзна ззвислиссть периода гишюбрззных колебания от параметров плазмы. Шказанз, тгти пилообразные колебания могут существенно ограничить аффактизность адиабатического нагрева ка токумэкэ JCH и представляется дао«1хедккым обеспечить юс подавление трэд наизлом и'ВО'-время екзтия.

В третьей главе продстазлэкы результата математического »одшированйя пастакых и зктивних штоков атсхон гюрозарядаи доя для режимов ТСП. Моделирование проводилось с и.огсльковсг.иам методики. опис-агаюя рапое в работе £6].

При расчетах ослабления пучка учитывалось увеличение сечения потери электрон:.' за счет ступончатах процессов ( ионизация с возбуждением ),

Концентрация и профиль гало-нейтралэз рассчитывались из балансных сображений в предположении, что:

1) концентрация и профиль гало-нейтрале?. стационарны;

2) в плоскоста, порготдику лирной пучку. в обл.-;ста существования пучка коньэ.'П'рация голо-кеитрэлоа не зависит от координат и равна пг;,, з sue пучка, на расстоянии « от оси едчиа:

где: в - раяиуо пучка, г~ длина перезарядки х'аяо-поитр.-иий.

Расчеты показал: аозмоданость применения корадску.яяркоя диагностики в ро жимах ЮТ, во хорошую чувствительность«; кач к значению температуры в центре плазмеяк'.<го шнура, ток и к ей профилю. На третьей стадии из-за ' существенной лопрозрзчиости плазмы активная и пассивная- методики дгит для цянтральгшх областей плазмы заметно ( зо + ей х. > завышенные значения т,. Данное обстоятельство необходимо учитывать при проведении измерения на третьей стадии.

С учетом результатов нодалироззния бал создан ксмшшс корпускулярной диагностики, который позволит вести исследования ионного компонента плазмы на всох стадиях разряда ТСП.

В состав комплекса »ходят анализаторы атомных частиц "ЛШУО", "АКОРД", "Э»-Г, "ЭЯЬФ-2", "ГЕММА" и диагностический инжектор нейтральных атомоз ДИНА.

Комплекс обеспечит измерения (в тем числе и локальные) иошюя. темнордтурм в центре, плазмы и ее раенрвдадеккв по пламенному ашуру. Совместное прккзчеино гиссиеюя и зктианоя методик позволит исмерять лекальные значения плотностог ионоь пх <г} и атомов пэ(г). з такие определять польш поток анергии. .уносимый атомами перезарядки. Применение активной методики позволит определять фунтами распре должки я ионов з режимах с дополните js.kmts нагреши, когда последняя будет, возможно, сеисмз немаксвеллоускоя. Комплекс позволит изучать физику нагрева ионов (эволюция функции распределения,

ю

профиль ввода мощности), установить основные каналы потерь из ионного компонента, опрэдадять характер ионного энергобаланса, а также приводить исследования ионного компонента во время МГД--коло-бзний <в том числе пилообразных).

Динаюосэ приссбвой ионной температуры регистрировалась анализатором "АКОРД" во время экспериментов по получению омического pe asma шрзоа стадии разряда плазмы ТСП.

Б четвертой глазе представлены результаты математического модс^йровсаия возможностей регистрации функции распределения удерлашаэгаис ^-частиц катодами активно? корпускулярной диагностики на токачэкчх 1сп, п'ЕК, cit. Определены требования к параметрам пучкмв зтомов .лития и гелия. Показано, что использование диагностического пучка атомов 3¡k-. с энергией 9U - 200 КэВ и интексиаяостью " 0,1 А позволит проводить регистрацию функции распределения «-частиц вплоть до энергия 0,7 и 1,5 МэВ соотзетотненно. П]хздстзйлкется целесообразным создание такого пучка через ион 3Ке'г.

Показано, что применение пучка атомов гелия-3 с энергией 40 .чзВ и интенсивностью I А позволит рзгистрировать Функцию распределения термолизованшх а-частиц вплоть до знергил ~зоо КэВ.

В заключении .приведены основные результаты работы:

1Г^у5Г"расчетоз эволюции функции распределения резонансных ионоь (добаЕкз К иди "Не) и гнергосодержавия основного компонента исков (ri) при ионно-даккотроншм пэгрэве рззр<>Сотан даумерныа кинетический код. Результаты проведенных с псиошью данного кода расчетов показывают, что при ЩН с использованием добавка И* или l1i!e+" функция распределения ионов добавки существенно анизотропна на ней возникают высокоэнергетичные немаксвелловские хвосты. Код позволяет вносит» количественные поправвки при определении энергосодержания резонансных ионов по спектрам атомов перезарядки при ЩН. Расчеты по данному коду показали, что благодаря более интенсивной передаче онергии оа счет кулоновсюк столкновений из гелиевой дойазху, в «затеряй, чзн из ьодородапг в гг.зтерий. схема нагрева с добавкой "Н«4'2 в 2,а узьа ^.¿фйктизнее, чем стека с водородной добавкой.

2. Проведены измерения зводюцик функций распределения водорода (добавка) и дейтерия при íCJJi на Токамаке-13 методом пассивной корпускулярной диагностик. доказано, что при

1б

размещении зоны циклотронного резонанса на оси тсхзмзка эффективность нагрева (п = 3.5 эВ/ 1сВт) престает таковую дня схемы нагрева с размещением на оси зоны конверсии.

Представленная выше математическая мода.®» эволюции функции распределения ионов при №31 хороао описывает дааамиху функции распределения водорода и энергосодержания в дегтзрии, зарпгистрированнуа в зксгоримватах ка 1-13.

3. Создан комплекс корпускулярное диагностики на Токамаке-ЛМ. Проведены измерения эволюте, функций распределения водорода (добзвка) и дейтзрия фи ИЦН нз различных магнитных поверхностях Т-ИМ методом пассивной корпускулярной диагностики. Ка энергетических спектрах атомов перезарядки водор.одз з процессе ВЧ импульса были зарегистрированы высокознерготичныэ немаксвеллов екго хвосты. В ре;;; да ах с. умеренной плотностью наблюдалась хорошая корреляция между "поперечной тзкпзратурся" ионов водорода и амплитудой вг компонента ВИЗ ьолнк с другой, что указывало на прямую связь нагрева с зтей волной.

Зарегистрирована обусловленная дрейфом локально запертых ионов асимметрия ггрофилеа потоков высокозЕврге'шчЕых атомов дарозарядки водорода при Щ нагреве

Хорошее совпадении экспериментальных точек, соответствующих приосэвой ионной температуре при расположении зены циклотронного резонанса нз оси тора, с расчетом по двумерному кинетическому коду достигается при подстановка в код величины плотности ВЧ-мопщости, вводимой в приооевую область, равной 0,45 Вт/см'*. Данная величина превышает в 2,3 раза значэпиз ерэдяог по объему плазмы плотности ВЧ-ковдости, что соответствует представлениям о пикированиести профиля поглощения ЗЧ-мощкости при ИЦН,

4. Разработан двумерный кинетический код для моделирования эволоции функции расг'ределэния конов и электронов при сжатии плазмы токамзка по большому и малому радиусам. в код были включены адащио транспортных процессов и кулоновских столкновений с учетом воздействия магнитного поля на сталкновгсгвльныи член. Моделирование показало, что при адиабатическом сжатии в тскамаках ТСП и ТУМАЯ-3 функция распределения ионното коишенетга плазмы должна быть существенно анизотропной. Код позволяет вносить количественные корректировки при определении энергосодержания ионного компонента по ешктрам

атомов гореззрядки при адиабатическом сжатии с анизотропной функцией распределения.

- - Проводэны измерения функции . распределения ионов ' при адиабатическом сжатии пэ токомаке TJMAK-3. Оорма и динамика зарегистрированных спектров атомов перезарядки удовлетворительно описк'йаэтси-рзграоотзкпык кодом.

Сделал вывод о необходимости подавления или по крайней мере ууслхчякии периода пилообразных колебании для рализации зффоктивкого адизйзтечолкого награда на токамзко ГСП.

Кстодкка, ранее разработанная для расчетов "пассивных" и

"ок-сивных" потоков атомов перезарядки из токзмака, была дополнена

расчетам"/, стационарного пространственного распределения гзло-

я.чягралоа, а также "пассивных" и "активных" потоков и профилей

вш На у, Н Расчеты, нроводоннью с использованиям данной

методики, позволили сделать вывод о возможности применения

рззлхчшх корпускулярных мзтсдов на токамакэ ГСП, определили

состав сог.цэязсгп комплекса корпускулярной диагностики. Комплекс

ебьспочит измерений (ь том числе и локальные) ионной температуры в

иоптре алззмы и со распределение иг- плазменному мкуру, Совместное

прдапютио пассивной и skt-лбноя диагностик позволит измерять

локальные значения плотностей ионов п. (г) и атомов п (г), а также»

1 а

определять полный поток. энергии, уносимый атомами перезарядки. Прюотнепио активных методов позаслет определять функцию рэспрй.делзяия ионов в режимах с дополнительным натровом, когда после дчяя будот заметно нэмаксвелловскза, определять локальные концентрации высскоионизированнъга (в том числе полностью ионизированных) иоаов примесей. Комплекс позволит изучать физику награвэ ионов {эволюцию функции распределения, профиль ввода мощности), установить основные каналы потерь из конного компонента, определять характер ионного энергобаланса, з также проводить исследования ионного компонента во время МГД-колебания,

6. С помощью созданного математического кода для реишмов токомаков iter, тол и cit продемонстрированы возможности регистрации функвии распределения удерживаемых u-чаотид с испльзовзнисад диагностических пучков атсков °Не.

Показано, чте использование пучка атомов °Не с энергией 90200 Кзй и интенсивностью ~ 0.1 А позволит проводить регистрацию функции распределения «-частиц вплоть до этгоргиа 0,7 и 1,5 МэВ

соответственно. (Хакоа пучек можот быть создан чероз ион Зн<>+ ).

Основные результаты диссертации отуйгикозааы у работах :

IT Кисляков А.йГГ" КраййльтЕёй Ä.'STl Петров" М.П., Романкиков А.Н. "Комплекс корпускулярясз диагностики плазмы но токамаке о сильным полж". Препринт КЛЭ-4460/7. /€87.

?.. Кислянов А.И., Ксзсильотков А.З., Щомелгага С.Г. Особенности поведения функции распределения ионов в плазма токамака при магнитаом ядизОзтичоском сжатии. Физика плэзмы, 1856, T.II, B.I, с.91-85.

3. А.Е.Красильников "Возможности активной • корпус;сулярноя диагностики иа осново искусственная юшеяи на токачака с большими пе и Т Труда Мемоттаслеаоя изучяо-тихкичосг.ой копфорезддя. "Взаимодействие излучения, плюжнеых я акчстраакы»: потоков с вещэством", стр.13. Масява-1984.

4. Э.л.Азизов. К.'А.Гриикс, Л.В.Красшгьников "локальные измерения концентрации высококондаирсвзтыг псимасез реакторной плззмы с применением доагиссткческоге пучка". - Труда Мэжотрэслгэпоз нэучно-тегническоя конференции "Взаимодействие излучения, плазме янж и злоктронньа потоков с веществом", стр. 13. Мссква-1еа4.

5. В.В.лфросимэв, Е.Л.Еорезовскиг, А.В.Крэсильникоп и др. "Возможности корпускулярное диагностики плазмы на гохаиахах нового -поколения" Трудл "Ш Всесоюзного ■ ' совуцуэяия .да диагностике высокотемпературное плазиы". Дус;нз-1йЗЗ.

8. Gorolenkovr H.H., Kranilnikov A.V.

Poeoibllltie* of Aîphb Partiel©« lJi«sniatlc in ¡futur* Tokamnk OelBC H«lium and Litbiua fceara Injection, Paaion Téchnology, v.19, p.207-216, im.

?. Афанасьев З.И., Илвозчкчив А.Б., Красшгькияов A.B. и др. Диагностика Гыстрьлс Альфа-Часгац о Покодья Лтотого . Пучка в Тоиамакэ cl;ç, Препринт ЭТИ км.л.Ф.Иоффэ NÎS03.. '

8. Афанасьев В.И., А^юсимов В.В., К.асильнкков A.B. и др. Возможности Диадастт А®4ш-Част>зд по Потакая Атомов., в " 1окахаяэ TCII/Прегрот ФШ НГ30'1. - ' -.

9. Si'relvnkov H.H., Kraallnlkov . A.V, Bieghoetic ot Alpha .fft?tloIea iri ITEE. TSF. CIT■ uitk the !)« asd Li Boom• I<».i«otion, Prïpvint. ÎA5-^Pg6/7. • : '

10. . ftoreleftkcv H.S. , ■ Jra«J]iiîl!M4.''A.V- PoaeX&i.Titiea . . о f.

c;-partJclee diagnostic In XTEft. MAGATK ,«-p»rticl<; Technical sesttlrig, Kiev-90.

И, Красилъникрз A.B. Моделирование эволюции функции распределения иояов лсяазмы при ИВД. Физика плазмы, 1988, т. 14, вЛО, C.II60-II95.

12. Бе лаков В.И., Бревнов Н.К., Кован И.А., Крзсильников A.B. и ,ир. Ямшо-цгеслотрсЕвиа нагрев на установке T-I3. Доклад на Всесоюзной конференции по" физике плазмы и УТС Звэнигород-€7, отчет О КИР ЙАЭ-С-03-10-02-012, N H2-I800.

13. Азкзов Э.А., Чуннсв В.А., Красшг-ников A.B. и др. "Создание и отработка режимов системы ВЧ- нагрева, рентгенновскаа и корпускулярное диагностик на установках 10-2, 1УМАН и др. Отчет о НИР I0/H)ÍF-24?4~8ü ,

14. Buahinnlcy СМ., Aalaov Е.А., Kraailnlltov A.V, et al Л eimple boro»Ilación technique /or Т-ЗИ and Т-11И tokamak clieiubern. Journal of Suelear Materials ÍOi-104, 1992. p.1413-1416.

15. Азкзов Э.А., Белов A.M., Крзсильников A.B. к др. Исследование ионно-цюсдотрояного нагрева плазмы на Тскамаке-IIM. Физика плазмы, 1904, т.20

' «

Цитируемая литература:

Т. Kennel С.P.. Sngelonra Р. Pbye, Fluida, 1966, vol.», p.2377 ,

2. Stix Т.Н. Suelear Fusion, '1S75, vol.15. N5, p.737.

3. Днестровский KU1.» Костомаров Д.П. Математическое кододировакйз плазмы, И., Наука, 1982.

4. Петров M.fl. Физика плазш, 1376 т.З .стр. 371.

5. Кисляксз А.И., Крупник Л.И. 1881, «гонка плазмы, 1081, т.7. н 4, стр.86&-90в.

6. Извсвчиков А.Б., Петров М.Н. Физика плазмы,1&7в,т,2.стр.212, ,

Подписано в печать 8.08.84, Форяат 60*80,1 16. Бумаге писчая KI. Почать офсетная. Усл. юч, л. 1.0. Тираж ICO экз. Заказ н_ Бесиоттно. Ротапринт МФТИ.

141700 г.-Доягго'фудаьш, Московской обл. йиститугскиа пер., д.9. .М°РТи ' от09. , ■ Зап. //Тир -ЮО jh^.