Исследование потоков атомов изотопов водорода МэВ-диапазона энергии в плазме токамаков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

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

На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ Валерий Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ АТОМОВ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА МЭВ-ДИАПАЗОНА ЭНЕРГИИ В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКОВ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: старший научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук А.В.Худолеев

Санкт-Петербург 1 999г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

ГЛАВА I. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ В МЭВ ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИИ.......10

1. Источники быстрых ионов в плазме токамаков и основные физические процессы, влияющие на формирование их функции распределения..............................................................................11

2. Сравнительный анализ методов диагностики быстрых ионов МэВ диапазона энергии и возможности их применения для изучения поведения термоядерных альфа-частиц...........................................19

2.1. Корпускулярная диагностика......................................................19

2.2. Коллективное томсоновское рассеяние..........................................32

2.3. Ионно-циклотронное излучение...................................................35

2.4. Ядерная гамма-спектроскопия.....................................................37

2.5. Нейтронная спектроскопия на "knock-on" эффекте...........................40

ГЛАВА II. АТОМНЫЙ АНАЛИЗАТОР ЧАСТИЦ МЭВ- ДИАПАЗОНА

ЭНЕРГИИ ГЕММА-2М............................................................45

1. Конструкция и принцип работы атомного анализатора Гемма-2М...............................................................................45

2. Конструкция детекторной системы анализатора............................51

3. Результаты калибровки атомного анализатора ГЕММА-2М...........54

4. Калибровка параметров детекторной системы анализатора и

проверка их в плазменном эксперименте......................................66

ГЛАВА III. МЕХАНИЗМЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ИОНОВ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЕ...............................................................................73

1. Сравнительный анализ элементарных процессов нейтрализации протонов МэВ диапазона энергии................................................74

2. Расчет концентрации "активной" примесной нейтрализационной мишени (с инжекцией в плазму нейтрального пучка атомов)............78

3. Роль процесса "перекрестной" перезарядки при формировании ионного гало пучка...................................................................81

4. Расчет концентрации "пассивной" примесной нейтрализационной мишени (без инжекции нейтрального пучка атомов)........................85

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ АТОМОВ ВОДОРОДА МЭВ-ДИАПАЗОНА ЭНЕРГИИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ИЦР НАГРЕВУ ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ 1Т-60и...................88

1. Условия проведения экспериментов по ионно-циклотронному нагреву плазмы на установке ГГ-60и (Япония). Размещение и параметры экспериментальной аппаратуры......................................88

2. Изучение относительной роли ионов Не+ и С5+ в нейтрализации высокоэнергичных протонов.........................................................94

2.1. Зависимость потоков атомов водорода от относительного торой-

дального положения инжектируемого пучка и атомного анализатора. Пространственная локализация гелиевой мишени...................95

2.2 Асимметрия "верх-низ" потоков атомов относительно экваториальной плоскости токамака при инжекции нейтральных пучков...............98

2.3 Сравнительный анализ "активных" и "пассивных" энергетических спектров атомов водорода в гелиевых и дейтериевых плазменных разрядах....................................................................................101

3. Энергетическая функция распределения ионов и энергия, запасенная в высокоэнергичном "хвосте". Сравнение с данными диамагнитной диагностики..........................................................109

4. Исследование параметрических зависимостей ВЧ-нагрева. Модель диффузионных потерь...................................................................113

ГЛАВА V. ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ТЕРМОЯДЕРНЫХ ТРИТОНОВ В РАЗРЯДАХ С ГОРЯЧЕЙ ИОННОЙ Н-МОДОЙ НА УСТАНОВКЕ JET..................................................................121

1. Условия проведения экспериментов в разрядах с горячей Н-модой на установке JET (Великобритания). Размещение и параметры экспериментальной аппаратуры....................................................122

2. Временная эволюция потоков атомов трития различных энергий и установление стационарного энергетического распределения термоядерных тритонов..........................................127

3. Расчет вероятности нейтрализации высокоэнергичных тритонов.

Реализация классического варианта активной корпускулярной

диагностики..............................................................................130

4. Локальная функция распределения термоядерных тритонов в центре плазмы. Сравнение с данными нейтронной диагностики...................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................140

Список литературы................................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время исследования в области управляемого термоядерного синтеза (УТС), связанные с использованием тороидальных магнитных ловушек типа токамак, вступают в качественно новый этап. Параметры плазмы, полученные в экспериментах на крупнейших современных установках, таких как JET (Великобритания), TFTR (США) и JT-60U (Япония), уже близки к реакторным. При этом концентрация быстрых "надтепловых" ионов в плазме, появляющихся в результате дополнительного нагрева или вследствие протекания термоядерных реакций, достигает значительных величин, и они уже начинают играть определяющую роль в удержании и нагреве плазмы вцелом. Переход к полномасштабным дейтериево-тритиевым экспериментам позволяет вплотную приблизиться к изучению одной из самых ключевых проблем УТС - поведению быстрых альфа-частиц, рождающихся в реакции синтеза ядер дейтерия и трития и являющихся основным источником энергии термоядерного реактора. Будут ли альфа-частицы удерживаться в плазме и должным образом передавать свою энергию основным компонентам плазмы в условиях мощного термоядерного энерговыделения? Будет ли это энерговыделение достаточным для того, чтобы полностью скомпенсировать потери энергии из плазмы и, тем самым, осуществить режим горения самоподдерживающейся реакции? Эксперименты, выполненные в последнее время на токамаках, показали, в частности, что энергетическое время жизни зависит от профиля источника нагрева, а использование дополнительных методов нагрева приводит, как правило, к развитию целого ряда неустойчивостей и, следовательно, к ухудшению

удержания энергии в плазме. Существует определенная вероятность того, что нагрев плазмы альфа-частицами будет настолько сильно ухудшать удержание энергии, что режим термоядерного горения, вообще, окажется недостижимым. Таким образом, целый ряд вопросов, связанных, прежде всего, с поведением быстрых ионов, еще требует тщательного исследования при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза. Именно этим в последнее время обусловлено интенсивное развитие диагностических методов для изучения быстрого ионного компонента плазмы.

Одним из наиболее прямых методов, позволяющих раздельно измерять функции распределения основных ионных компонентов плазмы является корпускулярная диагностика, которая в принципе дает возможность одновременно производить массовый и энергетический анализ атомов перезарядки, выходящих из плазмы. Эта диагностика широко применялась на установках предыдущего поколения, однако анализ потоков атомов обычно проводился в диапазоне энергий от сотен электрон-вольт до ста килоэлектронвольт. Современные требования к диагностике привели к необходимости расширить этот диапазон и вести измерения до энергий частиц в несколько мегаэлектрон-вольт. Эта проблема, в свою очередь, разделяется на две независимые задачи.

Первая из них - разработка таких диагностических методик, которые позволили бы нейтрализовать частицы высоких энергий в плазме с образованием регистрируемых потоков атомов перезарядки. Сложность задачи заключается в том, что в интересующем диапазоне энергий сечения перезарядки имеют малую величину и большинство из них быстро спадает с энергией. Другой важной

задачей является создание диагностической аппаратуры, соответствующей условиям использования на крупных токамаках. Одной из отличительных особенностей современных токамаков является то, что в процессе работы они создают интенсивные потоки нейтронного и гамма-излучений, уровень которых может достигать величин 108-1010 1/см2сек в месте установки диагностического оборудования. Такие интенсивные потоки создают серьезную проблему для выделения полезного сигнала над уровнем наведенного фона.

Цель настоящей работы заключалась в создании атомного анализатора частиц МэВ диапазона энергии, способного работать в условиях интенсивного нейтронного и гамма- излучений, использовании этого прибора в плазменных экспериментах для развития метода корпускулярной диагностики в данном диапазоне энергии и применении метода для исследования поведения быстрых ионов в плазме токамаков.

Основные результаты были получены в период с 1989 по 1998 г.г. и изложены в работах / 26, 31, 70, 71, 75-77, 79, 87, 89, 93, 94 /. В течение этого времени в ФТИ им.А.Ф.Иоффе был разработан атомный анализатор МэВ диапазона энергии ГЕММА-2М и проведена его абсолютная калибровка на ионном циклотроне. Приборы такого типа, поставленные из ФТИ, были установлены на токамаках JET, TFTR и JT-60U, где с их использованием была проведена целая серия плазменных экспериментов.

Диссертационная работа состоит из пяти глав, введения и заключения.

В первой главе рассмотрены источники и особенности поведения быстрых ионов в плазме токамаков и основные физические процессы, влияющие на формирование их функции распределения. Дан краткий обзор диагностических методов, используемых для изучения быстрого ионного компонента плазмы МэВ диапазона энергии.

Во второй главе описаны конструкция и принцип работы атомного анализатора частиц ГЕММА-2М и приведены основные результаты калибровки прибора.

В третьей главе изложена модель нейтрализации высокоэнергичных изотопов водорода в горячей плазме, лежащая в основе расчетов нейтрализационной мишени, используемых в последующих главах диссертации.

Четвертая глава посвящена анализу результатов по исследованию потоков атомов водорода МэВ диапазона энергии в экспериментах по ионно-циклотронному (ИЦР) нагреву плазмы на установке JT-60U. Приведены основные результаты по изучению нейтрализационной мишени высокоэнергичных ионов водорода и результаты параметрического исследования эффективности ИЦР нагрева.

В пятой главе изложены основные результаты экспериментов по исследованию поведения термоядерных тритонов, рождающихся в реакции синтеза ядер дейтерия, в разрядах с мощной инжекцией нейтральных пучков, полученные на установке JET.

ГЛАВА I. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ В МЭВ ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИИ

Развитие работ на современных крупных токамаках привело к тому, что при уже существующих уровнях удержания и нагрева плазмы плотность быстрых (надтепловых) частиц достигла того уровня, когда запасенная в них энергия сравнима по величине с энергосодержанием всей плазмы. Процессы переноса быстрых частиц в таких условиях начинают играть определяющую роль в удержании и нагреве плазмы в целом. В установках следующего поколения роль таких частиц, очевидно, станет еще выше. Так, например, в физической программе исследований термоядерного реактора ITER, изучение поведения быстрых альфа-частиц является одним из самых приоритетных направлений /1,2 /. Поэтому развитие методов диагностики быстрого ионного компонента плазмы является одной из важнейших задач при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза.

В этой главе мы рассмотрим источники быстрых ионов в плазме и основные физические процессы, влияющие на формирование их функции распределения. Дадим сравнительную характеристику методам диагностики, используемым в настоящее время для изучения поведения быстрых ионов на крупных токамаках. Рассмотрим преимущества, недостатки и перспективы их применения для исследования функции распределения термоядерных альфа-частиц в будущем токамаке-реакторе.

1. Источники быстрых ионов в плазме токамаков и основные физические процессы, влияющие на формирование их функции распределения

Природа появления высокоэнергичных частиц в плазме весьма различна. Можно перечислить следующие основные их источники:

а) протекание реакций синтеза с рождением заряженных продуктов,

б) инжекция пучков нейтральных атомов высокой энергии,

в) мощный высокочастотный (ВЧ) нагрев плазмы на гармониках ионной циклотронной частоты.

Качественно физические свойства этих источников сравниваются в таблице / 3 /:

источники ионов физический пространственное угловое начальная энергия

механизм распределение распределение

реакции синтеза ядерные пикировано в близко к энергия рождения

реакции центре изотропному (с поправками на кинематику)

инжекция анизотропное

нейтральных перезарядка и зависит от профиля (зависит от угла энергия инжекции

атомов ионизация поглощения пучка инжекции)

ВЧ-нагрев ионов циклотронное пикировано вблизи анизотропное _

малой добавки затухание резонансного слоя (в основном -поперечная энергия)

Кратко охарактеризуем каждый из этих источников.

Основными реакциям синтеза в плазме токамаков являются следующие реакции

V + Э Ше (0.82 МэВ) + п (2.45 МэВ) (1а)

0 + Б->Т(1.01 МэВ) + Р (3.08 МэВ) (1Ь)

Б + 3Не -» а (3.71 МэВ) + Р (14.64 МэВ) (1с)

О + Т -> а (3.56 МэВ) + п (14.03 МэВ) (Ы)

Скорость образования продуктов синтеза зависит от сечений реакций, плотности и скорости реактантов. Обычно различают три типа таких реакций. Если оба реактанта имеют максвелловскую функцию распределения по скоростям, то говорят о реакции "плазма-плазма" или о "термоядерной" реакции. В этом случае скорость реакции, главным образом, зависит только от температуры ионов. Если быстрый ионный компонент имеет немаксвелловскую функцию распределения и взаимодействует с тепловыми ионами или с такими же быстрыми ионами, то реакции называют соответственно, как реакции "пучок-плазма" и "пучок-пучок". При этом зависимость скорости реакции от ионной температуры оказывается слабой. В общем случае, как правило, используется численный расчет полного интеграла взаимодействия по всем типам реакций.

При инжекции в плазму пучка нейтральных атомов фракция высокоэнергичных ионов образуется вследствие процессов перезарядки и ионизации атомов пучка. Вероятность этих процессов является функцией многих параметров, таких как, температура, плотность и состав плазмы, а также зависит от сорта и энергии самих инжектируемых атомов. Для инжекции изотопов водорода, как правило, характерно наличие в пучке трех энергетических компонент Еь, Еь/2 и Еь/3, реальное соотношение между которыми зависит от типа используемого инжектора. На практике, профиль поглощения пучка также расчитывается с помощью численных кодов, учитывающих реальную геометрию инжекции и пространственные распределения параметров плазмы / 4, 5 /.

При использовании методов ВЧ-нагрева наиболее энергетичную и плотную ионную фракцию создает ионный циклотронный нагрев плазмы. При

таком нагреве плазма содержит помимо основного компонента (О или 4Не), так называемую, малую добавку других ионов (Н или 3Не). При этом тороидальное магнитное поле устанавливается так, чтобы частота ВЧ-волны, вводимой в плазму, находилась в резонансе с частотой циклотронного вращения ионов малой добавки вблизи центра плазменного шнура. Поскольку тороидальное поле в токамаке зависит от большого радиуса плазмы Я как 1/Я, то эти ионы находятся в резонансе с волной только в узкой области АЯ, называемой резонансным слоем. ВЧ-мощность, как правило, вводится со стороны слабого поля, а резонанс располагается вблизи центра плазмы /6,7/.

Для того, чтобы упростить решение задачи об эволюции функции распределения быстрых ионов в плазме обычно используется три базовых предположения / 3 /. Во-первых, допускается, что временной масштаб изменения функции распределения ионов много больше, чем время, характерное для их орбитального движения. Например, малое изменение функции распределения происходит за время циклотронного периода вращения ионов, но фазой вращения их вектора скорости в плоскости перпендикулярной магнитному полю можно пренебречь. Во-вторых, как существенные, рассматриваются только столкновения быстрых частиц с тепловыми, поскольку плотность последних обычно на порядок выше плотности быстрых частиц. Столкновениями между самими быстрыми частицами пренебрегают. В-третьих, учитываются только парные кулоновские столкновения с рассеянием на малый угол. В рамках сделанных упрощений, эволюция функции распределения быстрых ионов / описывается уравнением Фоккера-Планка и может быть представлена в виде

ат=Б + с+(2 (1.2)

где б' - соответствует прит�