Исследование изотопного состава и ионно-циклотронного нагрева водородно-дейтериевой плазмы токамаков методами корпускулярной диагностики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи ЧЕРНЫШЕВ Федор Всеволодович '

УДК 533.916

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА И ИОННО-ЦИКЛОТРОННОГО НАГРЕВА ВОДОРОДНО-ДЕЙТЕРИЕВОЙ ПЛАЗМЫ ТОКАМАКОВ МЕТОДАМИ

КОРПУСКУЛЯРНОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: главный научный сотрудник, доктор физ.-мат. наук А.И.Кисляков

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ПЛАЗМЫ.. 8-20

1.1.1. Спектроскопия..................................................................................................................8

1.1.2. Нейтронная спектрометрия................................................................................14

1.2 .ИОННО-ЦИКЛОТРОННЫЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ..................................................21-37

1.2.1 Введение......................................................................................................................................21

1.2.2. Распространение волн в плазме при частотах, близких

к ионной циклотронной частоте..................................................................22

1.2.3. Нагрев плазмы, содержащей ионы малой добавки............26

1.2.4. Функция распределения ионов................. . .................................30

1.2.5. Результаты экспериментов по ионно-циклотронному нагреву в токамаках....................................................................................................35

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ПЛАЗМЫ ПО АНАЛИЗУ ПОТОКОВ АТОМОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ.

2.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МЕТОДА..........................................................................38-47

2.1.1 Пассивный метод..............................................................................................................38

2.1.2 Активный метод................................................................................................................46

2.2 МНОГОКАНАЛЬНЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ С

МАССОВОЙ СЕЛЕКТИВНОСТЬЮ..................................................................................48_80

2.2.1 Пятиканальный анализатор атомов........................................................49

2.2.2 Влияние массового разрешения анализаторов на определение изотопного состава плазмы..........................................53

2.2.2 Многоканальный анализатор атомов АКОРД-12..................67

2.3 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ ИЗОТОПНЫМ

СОСТАВОМ ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ COMPASS-C.......... 81-100

2.3.1 Параметры установки и размещение аппаратуры....... 81

2.3.2. Определение соотношения изотопов с помощью корпускулярной диагностики и сравнение со спектроскопическими измерениями............................. 83

2.3.3. Особенности проведения эксперимента и основные результаты.............................................................. 89

ГЛАВА 3. ИОННО-ПИКЛОТРОННЫЙ НАГРЕВ С ИЗОТОПНЫМ АНАЛИЗОМ НА ТОКАМАКЕ ТУМАН-3.

3.1 ТОКАМАК ТУМАН-3........................................................ 101-109

3.1.1 Параметры установки и размещение диагностической аппаратуры............................................................. 101

3.1.2 Особенности экспериментов по ИЦН на токамаке ТУМАН-3............................................................... 106

3.2. ГЕНЕРАЦИЯ БЫСТРЫХ ЧАСТИЦ НА ПЛАЗМЕННОЙ

ПЕРИФЕРИИ....................................................................................................................................110-117

3.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ............................................................118-135

3.3.1 Влияние уровня ВЧ мощности на эффективность нагрева................................................................... 118

3.3.2 Зависимость эффективности нагрева от величины малой добавки................................................................. 129

ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА

ПЛАЗМЫ В ТОКАМАКЕ ИТЭР. 136-144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................... 145

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................... 147

ВВЕДЕНИЕ

Перспективы осуществления термоядерного синтеза в токамаке-реакторе тесно связаны с разработкой дополнительных методов нагрева плазмы, без которых невозможно достижение термоядерных температур. В настоящее время существует несколько альтернативных методов дополнительного нагрева плазмы, которые могут применяться как отдельно, так и в комбинации друг с другом. Наиболее перспективными считаются инжекция нейтральных атомов и ионно-циклотронный нагрев (ИЦН). Как правило, при использовании этих видов дополнительного нагрева имеют дело со смешанной плазмой, ионный компонент которой состоит из нескольких изотопов, причем нейтральная инжекция сама может являться источником смешанной плазмы, а традиционные схемы ИЦН основаны на присутствии в плазме ионов разных масс. Кроме того, в термоядерном реакторе предполагается использовать дейтериево-тритиевую смесь. Таким образом, в настоящее время концепция токамака-реактора заключается в применении смешанной плазмы как на стадии поджига с помощью дополнительных методов нагрева, так и на стадии стационарного горения. Эффективность дополнительных методов нагрева зависит от относительного содержания изотопов в плазме, а интенсивность реакции дейтерий-тритиевого термоядерного синтеза прямо определяется соотношением дейтерия и трития. Поэтому измерение и контроль изотопного состава плазмы в токамаке-реакторе является важной задачей, которая может быть решена в настоящее время только методом, основанным на анализе потоков атомов перезарядки. Для осуществления данного метода возникает потребность создания диагностической аппаратуры, обладающей высокой массовой селективностью и позволяющей одновременно регистрировать потоки частиц нескольких масс. Кроме того, необходимо продемонстрировать принципиальную

возможность управления изотопным составом плазмы, используя измерение соотношения изотопов в потоке атомов перезарядки.

Анализ потоков атомов перезарядки для определения изотопного состава плазмы позволяет также расширить возможности изучения ИЦН -одного из наиболее перспективных методов для достижения температуры поджига в токамаке-реакторе. К моменту начала данной работы был выполнен большой объем теоретических и экспериментальных работ, посвященных распространению волн и нагреву плазмы на частоте ионно-циклотронного резонанса. Однако многие аспекты, касающиеся этого вида нагрева, были недостаточно исследованы. В частности, зависимость эффективности нагрева от концентрации малой добавки была слабо изучена и требовала проведения значительных экспериментальных исследований. При этом обширный материал мог быть получен на малых токамаках, где при относительно небольшой полной мощности нагрева 100 кВт) значение удельной ВЧ мощности достигает такого же уровня, как и на крупных установках 1 Вт/см3). Поэтому физика взаимодействия волн с плазмой во многом одинакова и в малых и в больших машинах, и полученные результаты могут быть экстраполированы на более крупные установки, в том числе и на токамак-реактор. Особый интерес представляет исследование оптимизации условий ввода ВЧ мощности в плазму и изучение параметрических зависимостей нагрева плазмы.

Таким образом, перед автором работы стояли задачи разработки и создания диагностической аппаратуры для регистрации потоков атомов перезарядки, обладающей высокой массовой селективностью, а также применение этой аппаратуры для исследования ИЦН плазмы и для демонстрации возможности управления изотопным составом плазмы.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Разработка и абсолютная калибровка многоканального атомного анализатора с высокой массовой селективностью и возможностью

одновременного измерения потоков и энергетических распределений атомов водорода и дейтерия.

2. Разработка методики управления изотопным составом плазмы на основе анализа потоков атомов перезарядки. Проведение экспериментов, демонстрирующих принципиальную возможность управления изотопным составом плазмы по потокам атомов перезарядки на токамаке СОМРА88-С.

3. Оптимизация условий ввода ВЧ мощности в плазму и исследование параметрических зависимостей нагрева плазмы на частоте ионно-циклотронного резонанса на токамаке ТУМАН-3.

Диссертация состоит из четырех глав.

Глава 1 представляет собой обзор литературы.

В первой части главы 1 дан обзор основных диагностических методов определения изотопного состава плазмы. Приведены их физические принципы, достоинства и недостатки.

Во второй части главы 1 кратко изложены основные вопросы теории распространения и поглощения ВЧ волн в плазме в диапазоне частот ионно-циклотронного резонанса. Рассмотрено формирование функции распределения ионов по энергии при схеме ИЦН плазмы на малой добавке. Приведен обзор современного состояния экспериментальных работ.

Глава 2 посвящена определению изотопного состава плазмы по анализу атомов перезарядки. Здесь приведены физические основы метода; представлена методика определения соотношения изотопов с помощью анализаторов, не обладающих высоким массовым разрешением; описано устройство анализатора атомных частиц АКОРД-12 и приведены результаты его калибровки; представлены результаты экспериментов по управлению изотопным составом плазмы.

Глава 3 содержит результаты экспериментов по ИЦН. В нее вошли: описание токамака ТУМАН-3; анализ особенностей нагрева плазмы на этой установке; результаты оптимизации условий ввода ВЧ мощности в

плазму и результаты исследований параметрических зависимостей эффективности нагрева плазмы.

В главе 4 рассмотрены перспективы применения методики определения изотопного состава плазмы по анализу потоков атомов перезарядки в токамаке-реакторе ИТЭР.

В заключении подводятся итоги работы, формулируются главные выводы.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию были получены, в период с 1986 по 1998 г.г. и изложены в работах [1-13].

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ПЛАЗМЫ.

В настоящее время существует ряд методов, с помощью которых можно определять изотопный состав водородной плазмы [12,14-17]. К основным из них относятся:

- спектроскопия;

- масс-анализ газа;

- анализ атомов перезарядки (активный и пассивный).

Данные методы широко применяются в экспериментах на многих существующих установках.

Для определения изотопного состава плазмы и контроля оптимального соотношения дейтерия и трития в токамаке-реакторе наряду с вышеперечисленными методами также предполагается использовать спектрометрические измерения потока нейтронов [18,19].

В данном разделе будут кратко рассмотрены физические принципы и особенности определения изотопного состава плазмы с помощью методов спектроскопии и нейтронной спектрометрии. Использование анализа атомов перезарядки для определения изотопного состава плазмы будет представлено в главе 2 данной работы.

1.1.1. СПЕКТРОСКОПИЯ.

Метод спектроскопии основан на измерении соотношения интенсивности свечения линий изотопов плазмы, которое возникает в результате возбуждения атомов электронным ударом:

А0 + е А* + е-

На практике наибольшее распространение получило измерение линий, находящихся в видимой части спектра. Так, для определения соотношения

водород-дейтерий обычно используются линии серии Бальмера атомов водорода и дейтерия (На и Ба), длины волн которых составляют соответственно 656.282 нм и 656.103 нм. Данный выбор обусловлен главным образом тем, что в этой области длин волн как правило не наблюдается других линий с высокой интенсивностью.

а). Физические принципы метода. Исходя из корональной модели, которая в большинстве случаев применима для описания атомных процессов в плазме, среднюю мощность спонтанного испускания фотона обычно определяют как:

Опт = ^АптЬУшп, (1.1.1)

где - заселенность уровня п, Апт - вероятность спонтанного перехода п -» т, Ьупт - энергия фотона. Интенсивность свечения линии, соответствующей переходу п -»■ ш, для оптически прозрачной плазмы может быть представлена в виде интеграла вдоль линии наблюдения:

1пт = (4и)-1 1пе(х) Кё(х) Хёп Апт (1нп АП|)"' ёх, (1.1.2)

где пе - плотность электронов, - заселенность основного уровня, Х^ - коэффициент возбуждения из основного состояния g в состояние п. В ряде случаев выражение (1.1.2) упрощают, считая, что излучение плазмы на рассматриваемой частоте происходит в ограниченной области пространства с характерной длиной вдоль линии наблюдения ЛЬ:

= (4ТГ)-1 пе Х^ ^ &<„ А^)"1 АЬ (1.1.3)

Такое предположение справедливо для линий На и Ба, максимум интенсивности свечения которых из-за низкого потенциала ионизации водорода и дейтерия располагается в узкой пристеночной области плазмы. Кроме того, атомные характеристики для водорода и дейтерия совпадают, и для стационарного состояния плазмы распределение интенсивности свечения линий На и Т)а вдоль линии наблюдения идентично, поэтому можно записать:

Ng(H) / Ng(D) = (1.1.4)

где Ng(H), Ng(D) - заселенности основных уровней водорода и дейтерия, а Ijja, IDa - интенсивности излучения линий Ha, Da. Интенсивности IHa, IDa являются интегральными по длине волны величинами, в то время как в эксперименте часто измеряются дифференциальные интенсивности ВНа(А,), В0оД), которые еще называются спектральной плотностью излучения. Значение спектральной плотности в ее максимуме зависит от ширины линии. Уширение линий в плазме происходит в основном вследствие эффекта Допплера, обусловленного тепловым движением атомов, поэтому выражение для относительной ширины профиля линии на ее полувысоте может быть представлено в виде:

АХ/Х = 7.68х 10"5 (Т/А)172, (1.1.5)

где Т; - температура частиц выраженная в эВ, А - атомный вес частиц. Соотношение уширения линий водорода и дейтерия определяется выражением ДА,(Н) = V2 AA,(D), а соотношение максимумов интенсивностей, измеряемых в эксперименте, можно выразить как BHamax/BDamax = 1/V2 IHa/IDa. Учитывая, что подавляющее число атомов плазмы находится в основном состоянии, соотношение водород-дейтерий может быть определено из спектроскопических данных как:

пн / %> = Ng(H) / Ng(D) = V2 ВНашах / BDamax, (1.1.6)

если в эксперименте измеряются дифференциальные интенсивности, и

nH / nD = Ng(H) / Ng(D) = IHa / IDa, (1.1.7)

если измеряются интегральные интенсивности. Здесь nH, nD - плотности водорода и дейтерия в области плазмы, которая является источником излучения линий Ha, Da.

б). Схема эксперимента. Одна из возможных схем по измерению соотношения интенсивности линий На и Da представлена на рис. 1.1.1 [17]. Свет, испускаемый плазмой, подводится с помощью системы линз и световодов D,E,F к интерферометру, диспергирующая система (пластины I,J) которого снабжена пьезоэлектрическим перемещающим устройством. На пьезоэлемент подается меняющееся во времени управляющее напряжение (рис. 1.1.2а) от высоковольтного источника М, что позволяет производить быстрое сканирование по длине волны, выделяемой прибором. Свет, после прохождения интерферометра фокусируется и направляется в детектор L. В качестве детекторов обычно используются фотоумножители. В представленной на рис. 1.1.1 схеме вместо интерферометра может быть использован любой другой спектрометрический прибор, обладающий достаточно высокой разрешающей способностью (<1 нм) и возможностью быстрого сканирования по длине волны.

Типичные профили линий На и Da, полученные описанным выше способом, представлены на рис. 1.1.26. Приведенные на рисунке линии были измерены в экспериментах на токамаке НТ-6М [17] (большой радиус R = 65 см, малый радиус а = 20 см, тороидальное поле В = 0.7 Т, ток по плазме 1р = 70 кА). Видно, что линии хорошо разделяются, что позволяет с высокой точностью определить соотношение водород-дейтерий. (Для приведенного на рисунке случая nH/nD =0.25). Ситуация с хорошо разделяющимися линиями характерна для плазмы с низкой температурой на ее границе. При температурах выше (20-30) эВ тепловое движение атомов сильно размывает линии На и Da и они начинают накладываться друг на друга, что является типичным для токамаков среднего и большого размера. На рис. 1.1.2в приведены профили линий На и Da, полученные в экспериментах на токамаке COMPASS-C (большой радиус R = 55.7 см, малый радиус а = 22 см, тороидальное поле В = 1.3 Т, ток по плазме

С 1> Е Г ОН I I

О г~н

Рис.1.1.1

Схема эксперимента по определению изотопного состава плазмы с помощью метода спектроскопии [17].

А - камера токамака; I - интерференционный фильтр;

В - плазма; К - апертура детектора;

С - диагностическое окно; Ь - детектор;

Е - система световодов; М - источник меняющегося

система линз; напряжения;

С,Н - пластины интерферометра; N - компьютер.

а)

б)

Ьипе

<5 400

х I-

о

200

т

0 600

' к 1 -1-г...... | Лн

/ \ а

о ,

л а /

1 1— 1 1 ■ 1 . =

620 640 660

X (отн.ед.)

680

в)

Рис.1.1.2

Определение изотопного состава плазмы с помощью метода спектроскопии.

а) Напряжение на пьезоэлектрическом перемещающем устройстве;

б) Профили линий На и Ба в случае слабого уширения (токамак

НТ-6М) [17].

в) Профили линий На и Ба в случае сильного уширения (токамак

СОМРА88-С).

1р = 100 кА). Для этой установки типичной является температура на границе плазмы ~ (30-50) эВ, поэтому линии На и Ба сильно размыты, и для их выделения необходима математическая обработка сигнала. Для случая, представленного на рисунке, пн/п0 «0.98.

в). Достоинства и недостатки метода. Применение метода спектроскопии для определения соотношения изотопо�