Исследование плазмы токамака "Глобус-М" с помощью болометрической диагностики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ И РАДИАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ В

ТОКАМАКАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Исследования удержания энергии в токамаках.

1.1.1 Экспериментальные исследования энергобаланса в токамаке.

1.1.2 Влияние радиационных потерь на удержание.

1.2. Измерения радиационных потерь.

1.2.1 Типы болометров.

1.2.2 Технические требования к болометру для термоядерного реактора и его развитие.

1.3. Выводы из обзора литературы и постановка задачи.

ГЛАВА 2. СФЕРИЧЕСКИЙ ТОКАМАК "ГЛОБУС-М".

2.1. Описание установки и ее особенностей.

2.2. Предельные режимы работы токамака Глобус-М.

2.3. Методы дополнительного нагрева.—.—.

2.4. Диагностический комплекс.

ГЛАВА 3. БОЛОМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА.

3.1. Конструкция и расположение пиродатчиков.

3.2. Восстановление сигнала.

3.3. Методика калибровки.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

ПЛАЗМЫ.

4.1. База экспериментальных данных о радиационных потерях.

4.2. Сопоставление данных оптических диагностик с сигналом болометра.

4.3. Исследования флуктуации с помощью болометра.

4.4. Абсолютная калибровка болометрической системы.

4.5. Исследования абсолютных радиационных потерь.—

В последнее время при разработках техники и технологии управляемого термоядерного синтеза повышенное внимание уделяется исследованиям физики плазмы в сферических токамаках [1].

Данные установки, характеризующиеся близкими значениями малого а и большого R радиусов, обладают возможностью работы с высоким отношением Р газокинетического пТ и магнитного В /8 л: давлений, что позволяет создавать более компактные и экономичные токамаки. Первые эксперименты, выполненные на токамаке START, и последующие на токамаках MAST и NSTX подтвердили предсказываемые теорией хорошие МГД устойчивость и удержание плазмы [1-4]. Для проведения программы сферических токамаков в Физико-техническим институте им. А.Ф. Иоффе РАН был запущен токамак Глобус-М [5]. Экспериментальные исследования физики сферических токамаков на нем, по сути, только начинаются.

Получение сведений об энергобалансе плазмы является одной из основных задач на данном этапе. Ее решение предполагает, наряду с изучением транспортных свойств плазмы, определение радиационных потерь, обусловленных тормозным и линейчатым излучением примесей. К моменту начала диссертационной работы данные о временах удержания в плазме сферических токамаков с учетом радиационных потерь были ограничены, а на российских установках - вообще отсутствовали.

Для измерения радиационных потерь на токамаках были разработаны несколько типов болометрических диагностик [6]. Каждый из болометров: металлический, пироэлектрический, полупроводниковый; обладает определенными достоинствами и недостатками, но ни один из них не является универсальным, что приводит к необходимости выбора схемы болометрической диагностики в зависимости от параметров плазменной установки. (СТ) Первые данные о радиационных потерях получены на сферических токамаках совсем недавно [7]. Разработка болометрической диагностики для СТ сопровождается дополнительными сложностями в связи с относительной чистотой плазмы и малым уровнем излучения.

Данная диссертация посвящена разработке болометрической диагностики и экспериментальному исследованию радиационных потерь в плазме сферического токамака Глобус-М.

Новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Получены первые данные об абсолютных значениях мощности радиационных потерь в плазме сферического токамака «Глобус-М», которые свидетельствуют о низкой концентрации примесей в разряде.

2. Созданы широкообзорные и коллимированные пироэлектрические болометры, способные работать в условиях интенсивных звуковых помех на токамаках. Разработанные датчики обеспечивают рекордный частотный диапазон до 40 кГц, который открывает возможность их применения для изучения МГД-процессов.

Практическая значимость работы заключается в создании комплекса аппаратуры, способного проводить абсолютные измерения мощности радиационных потерь в сферическом токамаке. Впервые, данные о радиационных потерях позволили уточнить транспортные характеристики плазмы СТ Глобус-М. Показана возможность применения болометров с широким частотным диапазоном для изучения МГД-процессов. Разработанные методы могут быть использованы и на других, в том числе не сферических токамаках.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведены первые экспериментальные исследования радиационных потерь плазмы в омических режимах сферического токамака «Глобус-М». Показано, что радиационные потери составляют около 30 % от омической мощности. Зарегистрированный уровень радиационных потерь требует учета данного фактора при определении энергетического времени жизни плазмы.

2. Разработана оригинальная аппаратура для измерений радиационных потерь. Широкообзорный датчик позволил наблюдать до 80 % излучающего объема плазмы, что существенно повышает надежность и достоверность данных об интегральном излучении плазмы.

3. Разработана методика определения абсолютной мощности радиационных потерь, основанная на калибровке по ионизационному пику сигнала излучения болометра, которая проводится в процессе экспериментов на токамаке. Предложенный метод позволяет учесть изменения чувствительности болометра в результате изменения поглощающих свойств поверхности и вести мониторинг чувствительности болометра.

4. Достигнутые высокие чувствительность и помехозащищенность пироэлектрического болометра позволили расширить частотный диапазон до 40 кГц, что сделало возможным применение болометра для изучения МГД

64 процессов в плазме. Выполненное измерение частоты основной моды МГД-колебаний дало результат в 18,3 кГц, что совпало с данными магнитной диагностики.

Завершая изложение работы, хотелось бы выразить благодарность всем коллегам, помогавшим мне в работе и оказавшим влияние на ее результаты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены основные результаты, полученные автором при исследованиях радиационных потерь плазмы токамака «Глобус-М» с использованием пироэлектрического болометра. Описываются также оригинальные разработки экспериментальной техники и методики болометрических измерений. Рассмотрены особенности применения болометров на сферических токамаках.

1. А. Сайке, ЖТФ 1999, том 69, вып. 9 р 50.

2. Sykes A. et al. И Plasma Physics and Controlled Fusion. 1997. Vol.39. P.247

3. Robinson D.C.//Fusion Energy and Plasma Physics. World Scientific Press, 1987. P.601

4. Collins G.A., Durance G., Hogg G.R., Tendys J., Watterson P.A. //Nuclear Fusion.1988. Vol.28. P.255

5. B.K. Гусев, B.E. Голант, Е.З. Гусаков, B.B. Дьяченко, М.А. Ирзак,

6. В.Б. Минаев, Е.Е. Мухин, А.Н. Новохацкий, К.А. Подушникова, Г.Т. Раздобарин, Н.В.Сахаров, Е.Н. Трегубова, B.C. Узлов и др., ЖТФ 1999, том 69, вып. 9 р 58 ГЛОБУС-М

7. D. V. Orlinsky, G. Magyar, Nuclear Fusion, Vol. 28, No. 4 (1988)

8. Болометр со сферического токамака

9. Б.Фэн, В.Г.Капралов, Б.В.Кутеев, и др. Металлические и пироэлектрические болометры для измерения радиационных потерь горячей плазмы. Сб. докл. 28 Совещ. по физ.плазмы, Звенигород, 19-23.02.2001, с.77.

10. Б.Фэн, П.Г.Габдуллин, В.Г.Капралов, и др. Болометрическая диагностика токамака «Глобус-М». Сб. докл. 29 Конф. по физ.плазмы, Звенигород, 25.02-01.03.2002, с.40.

11. Б.Фэн, П.Г.Габдуллин, В.Г.Капралов, и др. Пирометрическая диагностика радиационных потерь сферического токамака "Глобус-М". Материалы 7 конф. "Инженерные проблемы термоядерных реакторов". С.Петербург. 27 30.10.2002.196

12. Письма в ЖТФ. приняты к публикации.

13. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции., Госатомиздат, 1961.

14. Artsimovich,L.A. Tokamak devices. Nucl. Fusion 1972,12, No 2, 215

15. Furth, H.R.,Nucl. Fusion, 1975,15,487

16. Bol K., et al., in Proc. 5th Int. Conf. Plasma Phys. Controlled Nuciear Fusion Research, Vol.1, (1975) 77

17. Berry L.A., et al., in Proc. 5th Int. Conf. Plasma Phys. Controlled Nuclear Fusion Research, Vol.l, (1975) 101

18. Ono M., Phys. Fluids, B,5, (1993) 241

19. Ohkawa T,. Nucl. Fusion, 10, (1970) 185

20. Winter J.,Plasma Phys. Control. Fusion, 38,(1996)1053

21. Borrass K., Nucl. Fusion, 31, (1991) 1035

22. Pitcher С. S., et al., Plasma Phys. Contr.Fusion 39,(1997) 779

23. Greenwald M., et al., Phys. Rev. Lett., 53, (1984) 352

24. Carreras B.A. et al., IEEE Transactions on Plasma Science, 25, (1997) 1281

25. Peng Y-K. M, Strickler D J., Nuclear Fusion. 1986.Vol. 26., P. 769

26. Robinson D.C., Fusion Energy and Plasma Physics. World Scientific Press, 1987. P. 601

27. B.C. Муховатов. Токамаки; Итоги науки и техники. Физика плазмы, т.1 часть 1, 1980, 6

28. С.В. Мирнов., Физические процессы в плазме токамака. М., Энергоатомиздат, 1983

29. R.J.Goldston., 11th Europ Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. 1983

30. V.G. Merezhkin., 26th Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion

31. J.G. Cordey and ITER H-mode Database Working GrouP, Plasma Phys. Control. Fusion, Vol. 39 (1997), P.l 15

32. Airoshi Shirai, JAERI-Research, 94-001,(1994) 1

33. Вертипорох A.H. Лукьянов С.Ю. Максмов Ю.С.,Физика празмы (1982) том 8 Вып. 3, 43733