Содержание
Введение....................................................................7
1. Системы для исследования взаимодействия примесных макрочастиц с высокотемпературной плазмой..................................18
1.1. Схема исследований испарения углеродных макрочастиц на установке W7-
AS...............................................................7. 18
1.1.1. Описание установки и ее основных диагностик....................18
1.1.2. Система примесной неллет-инжскции стслларатора W7-AS...........21
1.2. Система ННЖСКІШИ примесных пеллетов установки Т-10.................25
1.2.1. Описание установки Т-10 и ее основных диагностик...............25
1.2.2. Аппаратура для инжскции и наблюдения испарения пеллетов........27
1.2.3. Схема для относительных измерений континуума и линий излучения водородного облака....................................................29
1.3. Инжекиия литиевых макрочастиц ка установке Ileliotron Е.............32
1.3.1. Установка Heliotron Е и комплекс аппаратуры для исследования испарения литиевых макрочастиц..................................................32
1.3.2. Конструкция литиевого иеллст-иижектора.........................34
1.4. Схема исследований TESPEL инжскции на стсллараторс LIID............36
1.4.1. Описание установки LHD и се основных диагностик................36
1.4.2. Инжектор TESPEL установки LHD и аппаратура для наблюдения испарения пеллетов..............................................................40
1.5. Схема исследований TESPEL инжскции на стеллараторе CHS 43
1.6. Инжскции Li макрочастиц в токамак TFTR..............................46
1.7. Инжскции углеродных макрочастиц в токамак Asdcx Upgrade.............47
1.8. Методика измерении скорости испарении макрочасгии...................48
1.8.1. Методика измерения скорости испарения примесного пеллета по излучению иеллстного облака.....................................................49
1.8.2. Экспериментальные измерения депозиции макрочастиц и ее связь со скоростью испарения пеллетов..........................................53
1.8.3. Вклад континуума при измерении скорости испарения примесных (углеродных) макрочастиц..............................................62
1.8.4. Исследование распостранення тепловых волн во время испарения примесных макрочастиц...........................................................65
1.9. Реакции плазменного разр>ша на мнжскцшо примесных макрочастиц.... 67
1.10. Выводы к главе 1..................................................69*
2. Исследование взаимодействия макрочастиц с высокотемпературной плазмой установок с .магнитным удержанием..................................70
2.1. Общая картина испарения макрочастиц..................................70
2.2. Модели испарения примесных макрочастиц...............................74
2.2.1. Аналитическая Модель Нейтрального Экранирования для Испарения в виде Атомов (ЛМНЭИА) и Кластеров (АМНЭИК)....................................75
2.2.2. Модель Нейтрального и Электростатического Экранирования для Испарения в виде Атомов (МНЭЭИА)............................................77
2.2.2.1. Функция распределения быстрых ионов в условиях NBI нагрева 77
2.2.2.2. Расчет потенциала на границе нелетного облака с окружающей плазмой..............................................................79
2.2.2.3. Расчет ослабления тепловых потоков в нейтральном облаке.....80
2.2.2.4. Модель динамики разлета нейтрального облака и вычисления скорости испарения макрочастиц................................................83
2.2.3. Закон подобия дш вычисления скорости испарения примесных макрочастиц ........................................................................83
2.2.4. Вычисление скорости испарения примесных пеллетов при промежуточных значениях фактора экранирования.........................................84
2.2.5. Моделирование испарения примесных пеллетов, проходящих через магнитную ось плазменного шнура.........................................86
2.3. Экспериментальные исследования испарения примесных макрочастиц и
сравнение их результатов с предсказаниями моделей испарении..........89
2.3.1. Испарение пеллетов в плазме с максвелловской функцией распределения частиц..................................................................92
2.3.2. Испарение макрочастиц в плазме с заметной популяцией надтепловых частиц..................................................................98
2.3.2.1. Испарение пеллетов в присутствии надтепловых NBI ионов......98
2.3.2.2. Испарение пеллетов в плазме с заметной популяцией надтепловых электронов при ECR нагреве..........................................101
2.3.2.3. Особенности поведения зон повышенного испарения при ECR нагреве плазмы W7-AS........................................................103
2.4. Экспериментальные исследования псллстных облаков....................111
2.4.1. Применение фотографирования для изучения поведения пеллетных облаков втокамакеТ-10..........................................................112
2.4.2. Результаты исследований облаков углеродных макрочастиц на установке W7-AS..................................................................118
2.4.3. Изучение поведения литиевых облаков в токамаке TFTR.............132
2.4.4. Эксперименты по оценке температуры водородного пеллетного облака в токамаке Т-10..........................................................135
2.4.5. Измерения плотности облака примесного пеллета в LHD.............142
2.5. Модель «пленения» излучения в пеллетмом облаке......................143
2.5.1. Совокупность экспериментальной информации по параметрам псллстных облаков................................................................144
2.5.2. Модель возможного «пленения» излучения в облаке испаряющегося водородного пеллета....................................................144
2.5.3. Сравнительный анализ роли поглощения излучения в водородном и примесном пеллетных облаках............................................150
2.6. Выводы к главе 2....................................................152
3. Диагностические приложения инжекции макрочастиц........................154
3.1. Измерении угла вращательного преобразования методом макрочастиц 154
3.1.1. Измерения угла вращательного преобразования на токамаке TFTR при инжекдин литиевых макрочастиц..........................................155
3.1.2. Измерения угла вращательного преобразования на токамаке Т-10 методом инжекции водородных макрочастиц........................................156
3.2. Измерения профиля плотности тока в токамаке Т-10....................159
3.2.1. Методика измерения плотности тока..............................160
3.2.2. Результаты измерения профиля плотности тока и запаса устойчивости в токамаке Т-10..........................................................163
3.3. Измерения характеристик убегающих и надтенловых электронов методом нсллст-инжскцип.....................................................166
3.3.1. Влияние надтепловых электронов на испарение углеродных макрочастиц в токамаке Т-10..........................................................166
3.3.2. Исследования характеристик надтепловых частиц электронов на стеллараторе W7-AS методом пеллет-инжекции.............................168
3.3.3. Оценка параметров надтепловых электронов с использованием спектров ЭЦИ и данных иеллст-иижскцни...........................................178
3.4. Измерения функции распределения быстрых тяжелых частиц методом пеллет-инжекции.....................................................180
3.4.1. Физические принципы PCX измерений функции распределения быстрых частиц.................................................................182
3.4.2. Анализ измерений функции распределения альфа-частиц в TFTR 183
3.4.3. Результаты первых экспериментов в стеллараторе LIID............184
3.5. Исследования переноса примесей методом инжекции многослойных примесных исллстов (TESPEL).........................................189
3.5.1. Экспериментальные результаты по переносу лития на установках CIIS и LHD....................................................................191
3.5.2. Оптимизация выбора материала для исследования переноса примеси методом TESPEL инжекции на установке LFID..............................196
3.5.2.1. Модель для расчета сигнала перезарядки.....................197
4
г
3.5.2.2..Вычисления парциальных сечений перезарядки и вероятности излучения .......................................................................199
3.5.2.3. Модель ионизационного баланса ионов с большим Z...........202
3.5.2.4. Результаты вычислений и обсуждение........................205
3.5.3. Результаты исследований но переносу титана на LUD.............209
3.6. Выводы к главе 3..................................................215
4. Исследование процессов управления плазменным разрядом методом инжекции макрочастиц.....................................................217
4.1. Кондиционирование разряда методом пеллет-шпкекцнн.................218
4.2. Результаты нуль-мерного моделирования гашения разряда токамака-реактора ИТЭР»................................................... 223
4.3. Экспериментальные исследования излучения нримссм и применимости .модели «среднего иона» на стеллараторс LHD........................227
4.4. Экспериментальные исследования но гашению плазмы токамака Т-10235
4.4.1. Инжекция KCI иеллетов на квазистационарной стадии разряда.....237
4.4.2. Инжекция Ti на квазистационарной стадии разряда...............237
4.4.3. Инжекция КС1 на стадии спада тока.............................239
4.4.4. Инжекция большого количества примеси КС1 на квазистационарной стадии разряда.............................................................240
4.4.5. Обсуждение экспериментальных результатов......................241
4.4.6. Анализ генерации убегающих электронов.........................244
4.5. Одномерная модель гашения разряда методом макрочастиц.............248
4.5.1. Система уравнений.............................................248
4.5.2. Граничные и начальные условия.................................251
4.6. Результаты моделирования гашения разряда токамака Т-10............253
4.6.1. Моделирование без учета эффекта «ускоренного переноса»........253
4.6.2. Моделирование с учётом эффекта «ускоренного переноса».........255
4.6.3. Моделирование генерации убегающих электронов..................259
4.7. Моделирование сценария гашения разряда токамака ИТЭР методом неллет-инжскцин...........................................................262
4.7.1. Инжекция одиночного Кг пеллета................................263
4.7.2. Инжекция очереди Кг иеллетов..................................267
4.7.3. Моделирование генерации убегающих электронов..................268
4.7.4. Обсуждение результатов моделирования гашения разряда ИТЭР 270
4.8. Выводы к главе 4.............................................. 271
Заключение...............................................................273
Благодарности
276
Список литературы
277
*
♦
6
Введение
^ В исследованиях но созданию управляемого термоядерного реактора лидером
является направление магнитного удержания плазмы. В настоящее время идет поиск режимов и параметров токамаков [1] и стсллараторов [2], позволяющих улучшить условия для зажигания и поддержания реакции горения в реакторе и, в первую очередь, в проектируемом международном реакторс-токамакс ИТЭР. Особое внимание при проведении экспериментов на токамаках и стеллараторах уделяется развитию новых методов управления параметрами разряда, а также разработке новых методов диагаостики наиболее важных параметров высокотемпературной плазмы.
Инжекция макрочастиц (нсллстов) является эффективным инструментом, успешно применяемым в последние двадцать пять лет в исследованиях но проблеме УТС. На Рис. В.1 показана диаграмма, поясняющая направления использования пелдет-инжекции в установках с магнитным удержанием плазмы. Можно выделить две большие области (направления) применения инжскции макрочастиц в установках с магнитным удержанием. Первое направление - это управление параметрами плазменного разряда методом пеллет-инжскции. Другое направление - диагностика параметров плазмы. Наряду с первоначальными предложениями ио управлению материальным балансом (вводу топлива) с помощью инжекции твердоводородных таблеток [3], были предложены [4] и реализованы несколько диагностических приложений, основанных на инжекции легких примесных макрочастиц из материалов с небольшим зарядом ядра. Результат!,I этих исследований были представлены в работе (5].
В последнее время, область применения пеллет-инжекции была существенно расширена. Было обнаружено, что пеллет-инжекцня может инициировать переход плазменного разряда в режим улучшенного (Н-мода) удержания тепла и частиц [6-11]. Инжекция пеллетов из материала с большим зарядом ядра была предложена для быстрого контролируемого гашения разряда высокотемпературной плазмы. Появились новые диагностические приложения для исследования поведения надтелловых электронов и ионов методом инжекции макрочастиц и других параметров плазмы, переноса примеси методом инжекции двуслойных пеллетов, а также измерения профиля плотности тока плазмы токамаков. На Рис. В.1 курсивом отмечены те приложения иеллет-инжекции, которые исследовались и использовались ранее и не затронуты в настоящей диссертационной работе.
№
7
Пеллет-инжекция
Рис. В.1. Диаграмма, поясняющая современные направления использования пеллет-инжекции в установках с магнитным удержанием плазмы.
Необходимо отмстить, что расширение области приложений пеллет-инжскции стало возможным благодаря дополнительным исследованиям по физике взаимодействия твердых примесных макрочастиц с высокотемпературной плазмой установок с магнитным удержанием в широком диапазоне изменения как параметров плазмы, так и заряда ядра в материале макрочастицы. Результаты этих исследований также представлены в настоящей диссертационной работе.
Подробные обзоры работ по физике, технике пеллет-инжскции и ее диагностическим приложениям, выполненных до 1999 года можно найти в [12-151. Ниже рассмотрим подробнее современное состояние исследований по проблемам, затронутым в настоящей диссертационной работе.
На установке ТРТЛ (США) наивысшис значения параметра птеТ€, характеризующего уровень приближения к зажиганию термоядерной реакции, были получены при кондиционировании разряда плазмы с помощью инжекции крупных макрочастиц из лития [16-18]. Идея состоит в том, что испарившийся в разряде литий распределяется по всему плазменного шнуру, и, вылетая из него, покрывает внутренние элементы вакуумной камеры. Будучи химически активным, литий абсорбирует атомы примеси (в первую очередь углерода) на стенках камеры и снижает их поток в плазму. Это приводит к росту чистоты плазмы, т.е. к снижению эффективного заряда и радиационных потерь плазмы, росту' энергетического времени жизни и выхода (суммарного потока) нейтронов. В экспериментах на ТГГЯ улучшение указанных выше параметров достигаю 10-15%. Результаты первых экспериментов но кондиционированию стелларатора НсНоПоп Е путем инжекции крупных 1л пеллетов [19] изложены в 4 главе диссертации.
Другим важным направлением применения пеллст-иижекции является смягчение последствий большого срыва разряда в крупных установках типа токамак, а также в токамакс-реакторе ИТЭР [20]. При срыве разряда, который пока не научились избегать, в больших установках с реакторными параметрами энергия плазмы и магнитного ноля тока может высаживаться на локатьных элементах конструкций, что приведет к выводу их из строя. Идея применения пеллет-инжекции из легких материалов с малым зарядом ядра 2 < 6 первоначально обсуждалась в работе [21]. Она состоит в том, чтобы посредством внесения примеси в разряд переизлучить энергию в широкий телесный угол. Это позволит снизить тепловой и механический удары на отдельные элементы конструкции установки, в первую очередь на диверторные пластины [20]. Чтобы создать достаточно мощный источник излучения, который персизлучит энергию разряда за приемлемо короткие (~ 0.3 сек для ИТЭР [22]) времена, необходимо инжектировать значительное количество легкой примеси.
Такое, что плотность электронов в плазме вырастет в десятки раз. Экспериментально такая инжекция не осуществлялась на современных машинах, и априори, неясно, не приведет ли это к инициированию настолько быстрого срыва разряда после инжекции, что энергия плазмы и магнитного поля не успеет сколько-нибудь значительно переизлучитъея. Поэтому идея работы [21] получила развитие в работах [23,24], где в качестве материала пеллета предлагается использовать инертные газы с большим 7.. Увеличение 7 приводит к резкому (примерно как 7*) увеличению радиационных потерь из плазмы и поэтому требует существенно меньшего количества примеси. Моделирование процесса такого выключения [24-26] показало потенциальную опасность развития убегающих электронов после инжекции материалов с большим 2 и их отсутствие при инжекции легких материалов. Начаты многочисленные исследования на различных установках по гашению разряда методом инжекции макрочастиц с большим 7 [27-39]. Они демонегрируют, с одной стороны, эффективность такого способа выключения, а с другой стороны, показывают неоднозначную картину по генерации >бегаюших электронов и еше далеки от своей окончательной интерпретации. Поэтому в настоящее время выбор материала пеллета (заряда ядра 7) для гашения разряда остается неясным и требует дальнейшего изучения. Предлагаются и различные комбинации обоих подходов [40,44], а также существуют предложения по инжекции крупных водородных педлстов или водородных струй [45]. В последнее время идеи работ [23,24] были развиты и было предложено инжектировать плотные струи инертного газа для быстрого контролируемого выключения разряда. Начаты первые и весьма успешные эксперименты на токамакс ОШ-О [46], а также численное моделирование результатов этих экспериментов [46,47]. Проблема быстрого выключения разряда путем инжекции пеллстов из материала с большим зарядом ядра подробно представлена и обсуждается в 4 главе диссертации.
Диагностические приложения можно условно разделить на две группы (Рис. В.1). В первом случае параметры плазмы измеряются во время испарения макрочастицы. Эта стадия довольно короткая и определяется временами испарения (~ 1мс) макрочастиц. Область измерения параметров плазмы на данной стадии определяется радиальной областью испарения макрочастиц. Во втором случае используется пространственно-временная эволюция параметров разряда, возмущенных пеллет-инжскцисй.
Идея диагностики высокотемпературной плазмы путем инжекции примесных макрочастиц [4] состояла в создании облака испаренного педлетного вещества с последующим анализом возможных дрейфовых движений этого облака, наблюдаемого экспериментально в разных зарядовых состояниях инжектированной примеси
спектроскопическими и фотографическими методами. Было показано, однако, »гго характер дрейфовых движений различных состояний углеродного облака вокруг испаряющейся углеродной макрочастицы является достаточно сложным, в общем случае трехмерным. Кроме того, он существенно зависит от возмущения плазмы, то есть от количества внесенного на магнитную поверхность пеллетного вещества. Так, в экспериментах с небольшими скоростями испарения углеродных макрочастиц на токомаке ФТ-1 [48] скорости полоидального дрейфа плазмы неплохо совпадали с оценками по неоклассической теории. Однако, уже при более высоких скоростях их испарении на установке Туман-3 [49], а тем более, при интенсивном испарении углеродных макрочастиц на установке Т-10 [49,50], направление и скорости дрейфа углеродного (СИ) облака могли существенно отличаться от предсказаний неоклассической теории и результатов экспериментов на ФТ-1. Необходимо отметить, что помимо полоидальных, дрейфы существуют и вдоль большого радиуса. Экспериментально и теоретически отмечалась стратификация облаков, то сеть образование нескольких вытянутых вдоль магнитного ноля светящихся облаков, отстоящих друг от друга в направлении поперек ноля. При этом в работе [51] стратификация и дрейф испаренного вещества предсказывается в направлении большого радиуса установки (в сторону внешнего обвода тора). Однако, как это было показано в экспериментах для примесных иеллетов, стратификация возможна в полоидальном направлении [52], а небольшой радиальный дрейф может быть напрвлен в сторону внутреннего обвода тора [53]. Необходимо отметить, что дрейфовые движения и стратификация облака проявляются, как правило, на «низком уровне сигнала» интенсивности, т.е. достаточно далеко от пеллета. Вблизи пеллета, на «высоком уровне сигнала» интенсивности, облако имеет сигарообразную форму, вытянутую преимущественно вдоль направления локального магнитного поля. Это обстоятельство было предложено в [54] использовать для определения радиального профиля утла прокручивания (наклона) силовой линии магнитного поля 0(г) = Вро[(г)/В,ог(г), которое потом стало успешно применяться на установках типа токамак, имеющих примесную пеллст-инжекцшо [52,55-59]. Используя измеренный профиль 0(г)> возможно восстановить радиальный профиль полоидального магнитного Вры(г) но известному профилю тороидального магнитного поля Вюг(г). Таким образом, возможно диагностирование важнейшей характеристики плазмы токамака - радиатьного профиля тока ](г) и, соответственно, ралиапьного профиля запаса устойчивости ц(г).
Другой метод измерения раднатьного профиля тока](г) на стадии испарения пеллета был предложен в работе [60] для водородных, и в работе [61] для примесных макрочастиц. При этом используется обнаруженный тороидатьный снос макрочастицы, который связан с
их разным испарением вдоль и против тороидального электрического поля. Реактивная сила, вызывающая тороидальное ускорение пеллета, более простым способом вычисляется для примесных, тугоплавких макрочастиц. Модель, позволяющая определять профиль тока j(r) таким методом, была развита в работах [62,64] и протестирована в [57] путем сравнения измеренных профилей j(r) с профилями, получаемыми из измерений 0(г)у а также с рассчитанными но Спитцеровской проводимости плазмы. Разработанная методика применялась для измерения профилей j(r)на установке Т-10 в режимах с омическим нагревом плазмы [57,63] и в режимах с генерацией тока ECCD (Electron Cyclotron Current Drive) на второй гармонике электронно-циклотронного резонансного излучения [64]. Указанные выше приложения неллет-инжекции для диагностики 0(r)yj(r) и q(r) подробно представлены в 3 главе диссертации.
Важным и перспективным диагностическим приложением пеллет-инжекции на стадии испарения является измерения характеристик высокоэнсргстических ионов и ^электронов плазмы. Так в экспериментах на установке Т-10, в ECCD режимах с низкой плотностью плазмы были обнаружены узкие (несколько сантиметров) зоны повышенного излучения (испарения) углеродных леллетов. Они были связаны с наличием в плазме пучков >бегающих электронов [62], вызывающих повышенное испарение пеллетов в области своей локализации в плазменном шнуре. На установках Heliotron Е [19] и W7-AS [66] были обнаружены похожие зоны повышенного испарения, которые связываются с существованием надтепловых электронов (£с~(10-20)хГД вызванных особенностями электронно-циклотронного резонансного нагрева ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating) на этих установках. Изложение данного подхода для определения пространственных и энергетических характеристик быстрых электронов приводится в разделе 3.3 диссертации.
Облако вокруг испаряющейся макрочастицы представляет собой движущуюся в плазме плотную мишень для высокоэнергетических ионов плазмы: альфа-частиц, ионов, образующихся от инжскции водородных нейтральных пучков NBI (Neutral Beam Injection) и разогнанных как малая добавка к рабочему газу при помощи ионно-циклотронного резонансного нагрева 1CR1I (Ion Cyclotron Resonance Heating). В результате перезарядки быстрых ионов плазмы на частицах пеллетного облака, образуются высокоэнергетические нейтралы и/или ноны (в случае альфа частиц ноны Нс1+") в общем случае в возбужденном состоянии. Это создает возможность измерить важнейшую характеристику плазмы -функцию распределения быстрых ионов по энергиям, которая определяет эффективность нагрева плазмы и, в случае альфа-частиц, существенно влияет на условия зажигания самоподдерживаюшейся термоядерной реакции [1].
В работе [68J было предложено использовать Доилеровское уширенис излучения ионов Не,+\ образующихся в результате перезарядки быстрых альфа-частиц на облаке легкой примесной (Li, В, Вс, С) макрочастицы, для диагностики их функции распределения по скоростям. Попытка реализации этого предложения в тритиевых экспериментах на TFTR [69] встретила определенные трудности, связанные с измерением полуширины линии излучения возбужденного иона гелия Не|+* на фоне значительного излучения возбужденного гелия с периферии плазменного разряда, неизбежно присутствующего в тритиевых экспериментах.
Более перспективным оказался способ, предложенный в работе [70], когда высокоэнергетичсскис нейтралы, перезарядившиеся на иеллетном облаке PCX (Pellet Charge Exchange), покидают плазму и могут быть зарегистрированы анализатором нейтральных частиц NPA (Neutral Particle Analyzer). Он был успешно использован в экспериментах на TFTR для относительных измерений энергетической функции распределения альфа-частиц и тритонов [71], Hej [72], водородных [73] и тритиевых ионов [74,75] на малой изотопной добавке, разогреваемой 1CRH. С помощью Li PCX диагностики изучалось влияние гофрировки магнитного поля [76], пилообразных колебаний [77] и ТАЕ мод [78] на поведение энергетического спектра альфа-частиц и его радиальное распределение. Необходимо отметить, что попытки абсолютного сравнения наблюдаемых на TFTR и расчетных потоков из литиевого пеллстиого облака показали, что расчетные величины на порядок больше измеренных в эксперименте [80]. В работе [79] было предложено объяснение такого расхождения, которое позволяет надеяться использовать PCX диагностику и для абсолютных измерений энергетической функции распределения быстрых ионов в плазме. В разделе 3.4 подробно изложены эти результаты, а также представлены первые экспериментальные результаты PCX экспериментов на стеллараторе LHD.
После того, как испаренное вещество макрочастицы распределится по магнитной поверхности и приобретет тороидально-полоидальную симметрию, созданное возмущение может бьгть также использовано для диагностических целей. Это возможно тогда, когда характерные времена радиального переноса возмущения значительно превышают времена его создания и симметризации по магнитной поверхности. Кроме того, необходимо, чтобы создаваемые возмущения параметров плазмы были невелики (10-15%) и не вызывали сверхбыстрой перестройки параметров плазмы (см. явление «ultrafast transport» в обзоре [13]). При реализации перечисленных условий, измерения радиального переноса возмущений плотности и температуры электронов плазмы, плотности примеси использовались для оценок соответствующих коэффициентов переноса [82-87]. Качество
этого метола зависит от пространственной локализации создаваемого возмущения. Сравнительно недавно это обстоятельство было предложено реализовать в так называемой технике TESPEL/TECPEL (Tracer Encapsulated Solid PELlet/Tracer Encapsulated Cryogenic PELlet) инжекпии [88]. Суть его состоит в том, что псллст имеет двухслойную структуру. В центре пеллета помещается небольшое количество примеси, которое окружено полистироловой (TESPEL) или водородной (TECPEL) оболочкой. При инжекции сначала испаряется вещество оболочки, а затем в узколокализованной (несколько сантиметров) области плазмы испаряется и создает возмущение примесь. Данный метод был успешно реализован на стеллараторе CHS [89] для измерения коэффициентов переноса инжектированной примеси Li, эволюция которой после инжекпии измерялось по излучению линии 449.9 нм возбужденного Li2+< (переход 5g-4f). Однако попытки применить метод на установке LHD дтя исследования переноса Li, встретили трудности, связанные с выделением полезного сигнала излучения на фоне помех [90]. Анализу и применению метода TESPEL инжекции дтя исследования переноса примеси на установках C11S и LHD посвящен раздел 3.5 диссертации.
Как видно из вышеизложенного, разнообразные приложения пеллет-инжекции в термоядерных исследованиях требуют адекватного понимания сложных физических процессов, происходящих при испарении макрочастиц в высокотемпературной плазме. Знание структуры облака важно как дія предсказаний глубины проникновения пеллета в плазму, так и дія диагностических приложений пеллет-инжекции на стадій испарения.
В настоящее время общепринято считать, что испарение педіста происходит иод воздействием потоков тепла плазменных частиц - электронов и ионов (см. обзор [13] и ссылки в нем). В плазме, создаваемой омическим нагревом, потоки тепла на поверхность определяются электронами. При дополнительном нагреве плазмы за счет инжекции нейтральных пучков (NBI) или при приложении высокочастотной мощности (ECRII, ICRH), в плазме могут образовываться быстрые электроны и ионы, также влияющие на испарение. В реакторе необходимо также брать в рассмотрение потоки тепла за счет альфа-частиц.
Расчет скорости испарения макрочастиц является самосогласованной задачей. Попадая на поверхность пеллета, электроны и ионы приносят поток тепла Qepy Q,P и испаряют ее. Скор ость испарения N, то есть число испаренных атомов (или молекул) в единицу времени может быть определено из простого энергетического баланса на его поверхности N = (Qfp + Qrp) / с, где с - это энергия сублимации атомов или молекул. Одіако,
облако испаренного вещества начинает экранировать поверхность пеллета от падающих на нее частиц. В результате, приносимые этими частицами потоки тепла Qep и Q,p могут
14
разительно отличаться от тех потоков ()ео и которые существуют в плазме вдали от пеллетного облака или в отсутствие пеллета. Для сравнительного анализа различных факторов, влияющих на испарение, вводят обычно понятие фактора экранирования &zQplQ0, то есть отношения суммарных потоков тепла на поверхности пеллета и вдали от него. Таким образом, псллст экранируется облаком, которое снижает потоки тепла частиц, создающих это облако.
Очевидно, что вблизи пеллета существует наиболее плотное облако нейтрального, сферически симметрично разлетающегося вещества пеллета. Поэтому в первую очередь, модели испарения неллстов учитывают так называемое «нейтральное экранирование» [92-98]. Эти модели неплохо описывают существующую экспериментальную базу данных но испарению топливных таблеток и, поэтому они взяты за основу для моделирования ввода топлива в ИТЭР [99]. При разлете, нейтральное облако ионизуется и, в плазме с магнитным полем, останавливается в направлении, перпендикулярном к нему. Дальнейшая динамика разлета этой плазмы и се влияние на испарение рассматривается в моделях «плазменного экранирования» [100-103]. Наличие вторичной холодной плазмы пеллетного облака с конечным р может привести к вытеснению магнитного ноля из облака и также снизить потоки падающих частиц и их тепла, что является предметом анализа в моделях «магнитного» экранирования [104,105]. Следует отметить, что для современных экспериментов роль «магнитного экранирования» мала. Кроме того, необходимость соблюдения квазинейтральности на магнитной поверхности в месте нахождения пеллета может привести в (рамках одномерного подхода [106]) к созданию потенциала порядка Др<г/ = ( 1-2) х Те/е на границе холодной вторичной плазмы пеллетного облака и горячей (с электронной температу рой Те) окружающей плазмы. Наличие скачка потенциала приводит к соответствующему снижению (в ехр(еА<рс[/Те) раз) потока тепла электронов на пеллетное облако, что учитывается в механизме «электростатического экранирования» [106]. Существующие модели, как правило, учитывают некоторые комбинации из различных факторов экранирования (см обзоры [13, 15]). Сравнительный анализ различных факторов экранирования на испарение водородных пеллетов можно найти также в [98].
Значения фактора экранирования 6, а значит и вычисляемые в моделях скорости испарения пеллетов, существенно зависят от материала пеллета и механизмов экранирования. Материал пеллета определяет значения энергии сублимации, которые могут различаться в тысячи раз. Например, для водородных атомов сц = 0.005 эВ/ат., а для углеродных сц = 7.5 эВ/ат. Соответственно могут существенно различаться и факторы
15
экранирования от значений 8ц~ 10°-КГ1 для водородных до <5с~0.3-0.7 для углеродных макрочастиц. Очевидно, что для создания адекватной модели испарения необходимо рассмотреть весь комплекс проблем, упомянутых выше, а также провести сравнения вычисляемых в моделях скорости испарения иеллетов и параметров пеллетиого облака (размеры, плотность, температура и др.) с соответствующими физическими величинами, которые измеряются в экспериментах с пеллет-инжекцней. Эго необходимо как для прогнозирования ввода топлива в плазму реакторного масштаба, так и для развития диагностических приложений методом пеллет-инжекцин. Изучению испарения макрочастиц и поведению пеллетных облаков посвящена 2 глава диссертации.
Представляемая диссертационная работа имеет слсдущую структуру. Она состоит из настоящего введения, четырех глав и заключения. В каждой из глав, рядом с названием раздела приведены ссылки на работы автора, в которых опубликованы представляемые результаты. В первой главе описываются системы ннжекции примесных пеллстов для различных установок. Здесь обсуждаются методики измерения скорости испарения, параметров облаков вблизи водородных и примесных макрочастиц. Вторая глава посвящена анализу результатов исследования испарения макрочастиц и поведению пеллетных облаков. В ней также описана простая модель и приведены оценки возможного захвата излучения в пеллетных облаках. Третья глава посвящена результатам использования метода макрочастиц для диагностики различных параметров плазмы, таких как угол прокручивания силовых линий магнитного ноля, плотность тока и запас устойчивости, а также транспортные свойства примеси. В данной главе также описаны результаты разработки метода макрочастиц для диагностики быстрых электронов и ионов плазмы. В заключительной, четвертой главе приведены результаты исследований, направленных на технологическое применение иеллетов для управления свойствами плазменного разряда, т.е. для быстрого контролируемого выключения и кондиционирования разряда методом пеллет-инжекции. В заключении приведены основные результаты работы.
На защиту' выносятся:
1. Результаты исследований физики взаимодействия твердых примесных макрочастиц с высокотемпературной плазмой установок с магнитным удержанием в широком диапазоне изменения как параметров плазмы, так и заряда ядра в материале макрочастиц: результаты измерения скорости испарения и радиального распределения испаренного вещества, модель испарения примесных макрочастиц, результаты исследования структу ры и параметров облаков, окружающих псллсты.
2. Разработка методов и применение примесной пеллст-инжекцин для исследования радиальных профилей угла прокручивания силовых линий магнитного поля и плотности тока, надтепловых электронов и ионов, переноса примесей.
3. Предложение и разработка методов управления параметрами плазменного разряда, основанных на примесной пеллст-инжекции: результаты исследования возможности улучшения энергетических характеристик плазменного разряда стеллараторов, новый способ выключения разряда токамака с использованием инжекции примесных макрочастиц из материалов с большим зарядом ядра, результаты экспериментов но выключению разряда токамака Т-10 путем инжекции КС1 и Т1 неллетов и результаты моделирования сценария выключения разряда установки Т-10 и токамака-реактора ИТЭР.
т
17
1. Системы для исследования взаимодействия примесных макрочастиц с высокотемпературной плазмой
Системы инжекции примесных пеллетов, включающие оптические устройства для исследования их взаимодействия с плазмой, были развиты для многих установок с магнитным удержанием плазмы. В первых семи параграфах данной главы приводится краткое описание установок W7-AS, Т-10, Heliotron Е, LHD, CHS, TFTR, Asdex Upgrade и их систем пеллет-инжекции, на которых получены результаты данной диссертационной работы. Описаны схемы экспериментов по измерению параметров светящихся пеллстных облаков и траекторий макрочастиц. В параграфе 1.9 изложена методика измерения скорости испарения макрочастиц, а также результаты изучения некоторых методологических аспектов таких измерений. Здесь также показано, что, в отличие от случая водородных макрочастиц, дрейфовые движения испаренного материала незначительно меняют локализацию вещества после инжекции примесных макрочастиц. В заключительном параграфе обсуждаются основные параметры иеллета и разряда, определяющие тот или иной сценарий эволюции разряда после примесной пеллет-инжскцин.
1.1. Схема исследований испарения углеродных макрочастиц на ус [66,107] тановке YV7-AS
1.1.1. Описание установки и ее основных диагностик
Стелларатор Wendelstein 7-AS относится к числу установок средних размеров с магнитнььм удержанием плазмы. Его большой радиус составляет R = 205 см, эффективный малый радиус as 17 см. Конструктивно W7-AS состоит из пяти идентичных секций [109], в каждой из которых находится но две плоские обмотки и девять катушек сложной изогнутой формы - одна большая и восемь малых (см. Рис. 1.1.). Каждая секция охватывает угол 72 градуса в тороидальном направлении. Плоские обмотки предназначены для создания тороидального поля. Каждая из девяти остальных кат>шек секции (катушки модуляционного ноля) имеет уникатьный вид. Большие (иначе называемые особыми) катушки модуляционного поля, одна из которых имеется в каждой секции, обладают своими собственными генераторами тока, в то время как ток в остальных восьми создается с помощью единого источника. Меняя соотношение токов в особых и в модуляционных катушках, можно варьировать магнитную конфигурацию системы. Такая сложная система
Катушки
тороидального
магнитного
поля
1 Ьгазма
Треугольное сечение
Эллипсоидальное ссчснис
Катушки модуляционного магнитного ноля
Особые катушки
-4 модуляционного
VI ui н и гкого поля
Рис. 1.1. Система катушек магнитного поля и форма плазмы стелларатора Wendelstein 7-AS.
обмоток в результате создает магнитное поле, силовые линии которого претерпевают винтовое вращение при обходе вдоль тора. Напряженность магнитного ноля на оси плазмы может достигать значений 3 Т. Вакуумное магнитное поле системы изогнутых катушек
В R
имеет вращательное преобразование с параметром йога t = 1/т/ = —— = 0.39, величина
В,а
которого может меняться с помощью упомянутых выше плоских катушек от 0.25 до 0.67.
Ось плазменного шнура стелларатора имеет форму пятиугольника. Следовательно, большой радиус магнитной оси при движении в тороидальном направлении отклоняется на несколько сантиметров внутрь от среднего значения Rax - 205 см.
В связи с описанными особенностями конструкции, форма сечения плазмы в установке изменяется при движении в тороидальном направлении и имеет пятикратную
19
Рис. 1.2. Форма магнитных поверхностей в «треугольном» и «эллипсоидальном» сечениях. Набор из двух координат z и R, перпендикулярных тороидальному направлению, можно преобразовать к более удобному виду, введя эффективный радиус магнитных поверхностей гф
симметрию с периодом 72 градуса. Соответственно стандартная тороидальная координата может заменяться набором из двух чисел - номер модуля и угол вдоль модуля. Точка отсчета тороидального угла (р,ог - 0 находится в середине каждого модуля. В этом сечении шнур имеет форму, близкую к греугольной (См. Рис. 1.2). При р,0, = ±36° форма поперечного сечения плазмы эллиптическая.
В связи со сложной формой магнитных поверхностей, через которые проходит магнитный поток определенных значений, было введено понятие эффективного радиуса. Эффективным радиусом магнитной поверхности, имеющей форму, отличную от круглой, называется значение радиуса круглой магнитной поверхности, через которую проходит магнитный поток, равный потоку, проходящему через рассматриваемую поверхность.
Местоположение всех упоминаемых в данной работе устройств вокруг стелларатора Wendelstein 7-AS показано на Рис. 1.3. Система пеллет-ннжекции находится в модуле 4 при тороидальном (plor - -18°. На этом же рисунке обозначены устройства нагрева плазмы -инжектора нейтральных пучков (NBI) и патрубки ввода мощности СВЧ генераторов (гиротронов) на электронной циклотронной частоте (ECR).
Среди основных диагностик установки выделим систему для определения электронной температуры и плотности по Томсоновскому рассеянию, а также гетеродинный приемник для определения профиля электронной температуры по излучению на второй гармонике электронно-циклотронной частоты (ЕСЕ). Кроме того, на рисунке показан многоканальный микроволновый интерферомелр.
20
1.1.2. Система примесной пеллет-инжекции стелларатора W7-AS
Система примесной пеллет-инжекции была создана на основе газодинамического инжектора макрочастиц ДИМ-6, разработанного на кафедре физики плазмы СПбГПУ [110].
Наблюдение за пространственной и временной динамикой процесса испарения и формой облака испаряющейся в Wendelstein 7-AS макрочастицы осуществляется с помощью нескольких быстрых ПЗС (CCD) камер, видеокамеры и широкообзорного фотодиода. Расположение этих диагностик показано на Рис. 1.4. Здесь изображено полоидалыюе сечение установки при тороидальном угле г = -18°, в котором установлен инжектор. Показана типичная для этого сечения форма плазменного шнура.
Thomson scattering Te(r), ne(r) measurements
Multichannel ЕСЕ super heterodine Te(r,t) measurements
Multichannel interferometer ne{r,t) measurements
Рис. 1.3. Расположение инжектора макрочастиц, используемых в описываемых экспериментах диагностик и устройств нагрева плазмы на стеллараторе Wendelstein 7-AS.
21
Газодинамический инжектор (1) обеспечивал ускорение сферических углеродных макрочастиц размером 0.3-05 мм в направлении магнитной оси плазменного шнура со скоростями 150-300 м/с.
I шиберный затвор инжектора ДИМ-6
2,3,9 CCD камеры
4 объективы
5 поворотное зеркало
6 полупрозрачное зеркало
7 светофильтры
8 широкообзорный диод
10 видеокамера
II спектрометр
12 световод
Рис. 1.4. Схема расположения основных диагностик системы пеллет-инжекции стелларатора Wendelstein 7-AS.
Излучение светящегося облака вблизи испаряющегося пеллета регистрировалось с двух направлений. Во-первых, со стороны нижнего патрубка, причем линии, вдоль которых велось наблюдение, находились под углом -46° в полоидальном и ■> 3° в тороидальном направлениях к оси инжекции Во-вторых, сзади, вслед макрочастице. В результате наблюдения с двух направлений появлялась возможность производить точное позиционирование траектории пеллета. Вдоль траектории интенсивность излучения регистрировалась CCD камерами (2, 3), для которых изображение обеспечивалось оптической системой из двух объективов (4). поворотного зеркала (5) и полупрозрачного зеркала (6). Для всех светорегистрирующих приборов предусматривалась возможность установки интерференционных светофильтров (7). Как правило, в описанных ниже
22
экспериментах, это были светофильтры с центром полосы пропускания на длине волны 723 нанометра, соответствующей линии СИ углерода. При этом ширина пропускания на половине высоты у светофильтра для всех камер, кроме (2), была 9.3 нанометра. У камеры (2) она составляла 1.9 нм. Сзади излучение иеллетного облака наблюдалось с помощью широкообзорного фотодиода (8), еще одной CCD матрицы (9) и видеокамеры (10). Перед ними также устанавливались светофильтры (7).
Время экспозиции CCD камер варьировалось в широких пределах от 1 мке до Юме. Эго позволяло получать как интегральные фотографии пеллетной траектории за все время испарения пеллета, так и серии из 1-10 моментальных снимков иеллетного облака, когда затвор камер открывался и закрывался на заранее заданные промежутки времени.
По фотографии, получаемой е CCD-камеры (3) (ем. пример на Рис. 1.5),
195 200
Major radii, cm
210
Рис. 1.5. Фотография траектории углеродного пеллета, полученные с помощью CCD (3) камеры и светофильтра СИ (723 нм). Показаны положения сепаратрисы и центра плазменного шнура. Вертикальная ось примерно соответствует направлению магнитного поля.
интегрированием интенсивности излучения вдоль линий, перпендикулярных траектории, получается профиль интенсивности излучения линия СИ Icn(R) вдоль большого радиуса установки, который используется для определения скорости испарения пеллета (см. ниже). Данные о соответствующей временной эволюции процесса испарения получались с помощью широкообзорного диода (8). Профили излучения, определяемые по данным CCD-
23
камеры (3), обычно неплохо соотносятся с полученными с помощью широкообзорного фотодиода (см. Рис. 1.6). В то же время камера (3) дает двумерную картину траектории пеллета, с помощью которой осуществляется привязка профиля излучения к магнитным поверхностям.
time [ms]
Рис. 1.6. Характерные ход поведения интенсивностей излучения СП (723 нм), полученные с помощью CCD камеры (3) и широкообзорного фотодиода при наблюдении испарения углеродной макрочастицы.
Фотодиод, как альтернативный источник информации необходим в связи с тем, что CCD матрица интегрирует свет пеллетного облака на протяжении всего времени испарения макрочастицы. За счет конечного поперечного размера облака rcJ, временная эволюция излучения, полученная по снимку оказывается проинтегрированной по интервалу времени ~ Гс/Vp, где Vp - скорость пеллета. В результате, высокочастотная структура кривой при наличии резких изменений скорости испарения (особенно важная при регистрации надтепловых электронов) может оказаться сглаженной. Еще одно важное применение сигнала широкообзорного фотодиода - оценка с его помощью скорости макрочастицы, необходимой для расчетов скорости ее испарения и моделирования. Методика определения Vp основана на сопоставлении сигналов ССГ) камеры, наблюдающей испарение снизу, и широкообзорного диода. С помощью CCD камеры получается радиальный профиль
24
излучения облака испаряющейся макрочастицы, а с помощью диода - временная эволюция излучения. Подбирая значение Vp, практически всегда можно неплохо сопоставить эти графики, связанные скоростью макрочастицы (см. Рис. 1.6). Точность определения скорости иеллета составляла 5-10%.
В нескольких разрядах с углеродной пеллет-инжекцией проводились спектральные измерения светящегося облака с помощью спектрометра (11), на вход которого излучение подводилось световодом (12) (см. Рис. 1.4). Спектрометр (SPEX 750М), выполненный по стандартной схеме Czcmy-Tumer с фокусным расстоянием 0.75 м, имел на выходе CCD камеру фирмы ProScan размером 512x512 пикселей. Дифракционная решетка позволяла получать видимый спектр в диапазоне 400-700 нм со спектральным разрешением 0.01 нм/пиксель.
1.2. Система инжскции примесных пеллетов установки Т-10 (30,56,57,111]
На токамаке Т-10 были выполнены различные эксперименты с инжекцией как водородных, так и примесных макрочастиц. В данном разделе приведено общее описание установки Т-10 и ее основных диагностик, используемых в настоящей работе. Отдельно описаны системы инжскции пеллетов и диагностики их взаимодействия с плазмой.
1.2.1. Описание установки Т-10 и ее основных диагностик
Установка Т-10 является токамаком средних размеров с круглым сечением и металлической камерой без днвертора. Большой радиус установки 1.5 м, малый радиус плазменного шнура ограничивается подвижной диафрагмой (лимитером) и меняется в пределах = 0.28-0.34 м. Омический ток по плазме варьируется в широких пределах
/р = 70-350 кА, что при тороидальном магнитном иоле = 2.5Т соответствует диапазону запаса устойчивости на диафрагме qi = 2-8.
RBp
Эффективный заряд плазмы Zeff, определяемый технологическими работами по обезгаживанию вакуумной камеры, обычно составляет порядка 2. Температура в центре плазменного шнура в режимах омического нагрева Те(0) = 1.0-1.3 кэВ слабо падает с ростом электронной плотности установки, среднехордовые значения которой варьируется в пределах пв =(0.8-6)10|9м*3. Нижние значения плотности определяются условием
25
недопущения генерации заметной популяции убегающих электронов [112]. Верхние зпачения плотности ограничены известным пределом по плотности [113], после превышения которого наступает большой срыв разряда. При дополнительном ЕСЯ нагреве на второй гармонике электронно-циклотронной частоті»!, электронная температура плазмы может достигать 3*4 кэВ.
Размещение диагностик установки показано на Рис. 1.7. Патрубки токамака располагаются в четырёх сечениях А-Э. В каждом сечении есть экваториальный (горизонтальный) патрубок, верхний и нижний вертикальный патрубки и два наклонных
*
Рис. 1.7. Расположение основных диагностик на токамаке Т-10: 1 -диагностический инжектор макрочастиц ДИМ-4; 2 - супергетсродиниый приемник второй гармоники ЕСЕ; 3 - СВЧ-ннтерферометр; 4 - амплитудный анализатор мягкого рентгеновского излучения (8ХЯ); 5 - инжекторы твердого водорода ИТВ-1 или ИТВ-2; б - БХК. камеры-обскуры; 7- положения высокоскоростной камеры ВСК-5; 8- датчик жесткого рентгеновского излучения (НХИ); 9- МГД зонды.
патрубка под углами +30° и -30°к экваториальной плоскости.
Инжекторы примесных (1) и водородных (5) пеллетов располагались в сечениях В и С соответственно. Многоканазьный (до 8 каналов) супергетсродиниый приемник (2) на второй
26
гармонике электронной циклотронной частоты позволял наблюдать эволюцию профиля электронной температуры Te(r,t) [114]. При этом его абсолютные значения нормировались на профиль, измеренный с помощью амплитудного анализатора мягкого рентгеновского (SXR) излучения (4) [115], который измерял профиль электронной температуры перед пеллет-ннжекцией. Эволюция профиля электронной плотности ne(r,t) измерялась восьмиканальным СВЧ интерферометром (3) [116]. Сигналы камеры-обскуры SXR (6) с микросекундным временным разрешением позволял судить о быстрой эволюции излучения после иеллст-инжекцни. Фотографирование светящихся облаков вокруг испаряющихся примесных и водородных макрочастиц осуществлялось в ряде экспериментов с помощью высокоскоростной фотокамеры ВСК-5 (7). О наличии в разряде популяции убегающих электронов можно было судить по данным датчика жесткого рентгеновского излучения (8) в диапазоне 0.5-3 МэВ (сигнал HXR). Магнитогидродинамическая активность моды m/n = 2/1 разряда контролировалась МГД зондами (9) (сигнал MHD2) [117]. Ток разряда 1р и напряжение на обходе плазменного шнура (// контролировались стандартными электротехническими методами. Сглаживающий фильтр, использующийся на выходе этих диагностик, имел постоянную времени порядка 10 мс. Временной ход радиационных потерь плазмы регистрировался пироэлектрическим детектором (сигнал BOL). В ряде случаев, излучение измерялось линейкой AXUVD полупроводниковых диодов, имеющих хорошее (несколько мке) временное разрешение.
1.2.2. Аппаратура для инжекции и наблюдения испарения пеллетов
Диагностический инжектор макрочастиц ДИМ-4 (1 на Рис. 1.7) располагался на вертикальном патрубке сечения В установки. Инжекция производилась сверху вниз в направлении центра плазменного шнура. Пеллсты из С, LiH, КС1 или Ті размерами 0.3-0.6 мм влетали в плазму со скоростями Vp =30-150 м/с. Максимальный возможный размер
пеллетов, инжектируемых в плазму (-0.7 мм) был ограничен диаметром ствола инжектора.
На Рис. 1.8 схематически показано расположение основных компонент системы инжекции примесных макрочастиц Т-10. ДИМ-4 представляет собой газодинамический инжектор, описание которого можно найти в работе [119]. Ускоряющий газ Не давлением до 5 атмосфер подается в объем над первым шибером инжектора через редуктор. Здесь же расположены фор вакуумный насос для откачки буферных объемов инжектора и блок управления шиберными затворами, с которого осуществляется подача управляющих напряжений на электромагниты последних.
27
- Київ+380960830922