Исследование ионного компонента термоядерной плазмы методами нейтронной и корпускулярной диагностик с применением алмазных детекторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОЗДАНИЕ МЕТОДОВ СПЕКТРОМЕТРИИ ДТ НЕЙТРОНОВ И БЫСТРЫХ АТОМОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНО РАЗРАБОТАННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИЗ ПРИРОДНОГО АЛМАЗА.

1.1. Краткий обзор основных методов спектрометрии ДТ нейтронов.

1.2. Свойства и принцип работы детекторов из натурального алмаза.

1.3. Создание нейтронных спектрометров на базе алмазных детекторов и исследование их энергетического разрешения на нейтронных генераторах СНЕГ-13, FNG (Италия) и FNS (Япония).

1.4. Создание метода спектрометрии быстрых атомов перезарядки с использованием специально разработанных детекторов из природного алмаза

1.5. Оптимизация схем электроники спектрометров.

1.6. Регистрация спектров дейтерий-тритиевых (ДТ) нейтронов на нейтронных генераторах FNG и FNS.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО КОМПОНЕНТА ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ НА КРУПНЫХ ТОКАМАКАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДЕТЕКТОРОВ ИЗ ПРИРОДНОГО АЛМАЗА (АД) В КАЧЕСТВЕ СПЕКТРОМЕТРОВ НЕЙТРОНОВ

2.1. Исследования функций распределения дейтерия и трития в ДТ эксперименте на Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR).

2.1.1. Организация диагностического комплекса.

2.1.2. Регистрация анизотропии функций распределения ионов дейтерия и трития при нейтральной инжекции (НИ).

2.1.3. Измерение средних тангенциальной и поперечной энергий ионов нагревного пучка при НИ.

2.1.4. Исследование функции распределения и удержания резонансных тритонов при ионном циклотронном нагреве

2.2. Исследование спектров ДТ и эволюций потоков ДТ и ДД нейтронов в дейтериевых экспериментах на токамаке JT-60U (Япония).

2.3. Исследования функций распределения ионов, динамики потоков ДТ нейтронов и тороидального вращения плазмы во время тритиевого эксперимента (DTE1) на Joint European Torus (JET).

2.3.1. Организация диагностики.

2.3.2. Измерения ионной температуры и тороидального вращения.

2.3.3. Оценка средней энергии пучковых ионов.

2.3.4. Измерения во время ИЦН.

2.3.5. Регистрация нагрева ионов а - частицами и knock-on нейтронов.

2.3.6. Измерения сдвига спектра ДТ нейтронов, связанного с тороидальным вращением плазмы.

2.3.7. Регистрация динамики выхода ДТ нейтронов.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ БЫСТРЫХ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛМАЗНОГО ДЕТЕКТОРА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРОВ И ПОТОКОВ АТОМОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ.

3.1. Краткое введение о применении методов корпускулярной диагностики в исследованиях на токамаках.

3.2. Исследование эффективности нагрева резонансных протонов, их перераспределения при срыве пилообразных колебаний и диффузии при ИЦН на TFTR.

3.3. Исследование энергетических спектров ионов нагревного пучка в плазме стелларатора Large Helical Device (LHD).

Для оптимизации зажигания и контроля горения в будущем термоядерном реакторе необходимо вести измерения широкого диапазона величин, характеризующих плазму. Некоторые из этих величин - такие как: выход нейтронов, термоядерная мощность и её пространственное распределение, профили ионной температуры, давления и вращений плазмы практически полностью или в основном определяются ионными компонентами плазмы. Поэтому значение измерений, а в ряде случаев и контроля пространственных и энергетических распределений термолизованных ионов дейтерия и трития, а-частиц и быстрых ионов, создаваемых в плазме нейтральной инжекцией (НИ) и ионным циклотронным нагревом (ИЦН), невозможно переоценить. Особенно актуальной как в токамачной, так и, особенно, в стеллараторной концепциях будущего термоядерного реактора является проблема удержания альфа-частиц. Эксперименты последних лет на токамаках TFTR, JET, JT-60U и стеллараторе LHD показали, что время жизни частиц в плазме зависит от профиля запаса устойчивости плазмы, профиля ввода мощности дополнительного нагрева, магнитно-гидродинамической активности плазмы. Таким образом, необходимы дальнейшие интенсивные исследования поведения быстрых ионов в тороидальной плазме.

В связи с высокими потоками дейтерий - тритиевых (ДТ) нейтронов измерения вышеназванных характеристик реакторной плазмы и исследования поведения энергичных ионов могут быть наилучшим образом проведены методами нейтронной диагностики. Ценную информацию о функциях распределения а-частиц и других быстрых ионов, соотношении концентраций дейтерия и трития может обеспечить корпускулярная диагностика. По крайней мере на этапе экспериментальных реакторов необходимо проведение измерений многоканальными спектрометрическими системами, обеспечивающими высокое энергетическое, пространственное и временное разрешение [1,2]. Это выдвигает требование к компактности отдельных каналов измерительных систем, их способности обеспечивать высокое энергетическое разрешение при высоких загрузках. Высокие потоки радиации на термоядерном реакторе определяют требования к высокой радиационной стойкости применяемых измерительных устройств.

Целью настоящей работы является создание новых методов диагностики высокотемпературной плазмы - регистрации спектров и динамики потоков ДТ нейтронов и энергичных атомов перезарядки с применением детекторов из природного алмаза, физическое обоснование этих методов, развитие алгоритмов обработки экспериментальных данных, и исследование ионного компонента термоядерной плазмы на крупнейших современных токамаках и стеллараторе с применением созданных методов.

Автор выносит на защиту:

- метод регистрации спектров и динамики потоков ДТ нейтронов с применением детекторов из природного алмаза;

- метод регистрации спектров и динамики потоков энергичных атомов перезарядки с применением алмазных детекторов;

- создание и абсолютная калибровка спектрометров ДТ нейтронов и атомов перезарядки на базе алмазных детекторов на нейтронных генераторах, крупнейших токамаках и стеллараторе;

- результаты исследований поведения ионов дейтерия и трития при НИ и ИЦН на токамаках TFTR, JET и JT-60U;

- результаты исследований поведения быстрых протонов при ИЦН на TFTR и НИ на LHD.

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Международных совещаниях "Диагностика для Международного Экспериментального Термоядерного Реактора" (Варенна, 1996, 1998), 23-й Европейской конференции о физике плазмы и УТС (Киев, 1996), 16-й Конференции МАГАТЭ по Термоядерной Энергии (Монреаль, 1996), 5-ом Международном симпозиуме по алмазным материалам (Париж, 1997), Первом Всероссийском симпозиуме по твёрдотельным детекторам ионизирующего излучения (Екатеринбург, 1997), Всероссийской конференции "Алмазы в технике и электронике" (Москва, 1997), 9-ом Совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Санкт-Петербург, 1997), Симпозиуме по ядерной науке (Альбукерк, 1998), 12-ой Конференции по дагностике высокотемпературной плазмы (Принстон, 1998), Конференции по физике плазмы и УТС Японского физического сообщества (Цукуба, 1998).

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в журналах: "Вопросы Атомной Науки и Техники","Nuclear Instruments and Methods", "Fusion Engineering and Design", "Review of Scientifïc Instruments", "IEEE Transaction on Nuclear Science", "Физика Плазмы", "Physics of Plasma", сборниках "Диагностика для экспериментального термоядерного реактора" и книге "Природные алмазы России".

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. В главе 1 изложено создание методов спектрометрии ДТ нейтронов и быстрых атомов перезарядки с применением специально разработанных детекторов из природного алмаза (АД). В Главе 2 представлены результаты исследований ионного компонента термоядерной плазмы на крупных токамаках с применением детекторов из природного алмаза в качестве спектрометров нейтронов. Глава 3 представляет результаты работ по исследованию поведения быстрых ионов в плазме с использованием алмазного детектора для регистрации спектров и потоков атомов перезарядки. В Заключении сформулированы основные результаты работы.