Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому исследованию процессов создания плазмы, подъема и поддержания стационарного тока в токамаке. Разряд в своем развитии последовательно проходит эти три этапа, причем эволюция плазменного шнура определяется совокупностью таких разнородных физических процессов как диффузия магнитного поля, нелинейное развитие МГД-неустойчивостей, распространение ВЧ волн, кинетика взаимодействия частиц плазмы с безындукционным источником тока. Проведено исследование всех этих процессов, разработана теоретическая картина и построена вычислительная модель процессов, формирующих плазменный шнур в токамаке. Развитые представления использованы при анализе существующих экспериментов, а также при разработке сценария разряда и выборе параметров международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР.
Актуальность теш исследований. Установки токамак представляются в настоящее время наиболее перспективнымым направлением на пути реиения проблемы управляемого термоядерного синтеза. В рамках международного сотрудничества ведутся работы по разработке концептуального проекта экспериментального реактора на основе токамака. Принципиальная возможность толучения в токамаке самоподдерживающейся термоядерной реакции ге вызывает сомнений. Однако, в процессе проработки проекта зеактора выяснилось, что одной из наиболее уязвимых сторон гокамака-реактора является импульсный характер его работы. Іозтому особую актуальность приобрела проблема поддержания '-тацио-нарного тока в тороидальной системе с замкнутыми іагнитішми поверхностями. Ввиду высокой стоимости не менее !ажным аспектом проектирования токамаков является задача более юлного и рационального использования ресурса каждой установки, [оследняя задача в равной степени относится и к организации іаботьі действующих токамаков. Ее решение означает удлинение аждого импульса, повышение их надежности, предотвращение рывов и т.д. Одним из основных путей решения перечисленных адач служит изучение законов формирования и методов управления рофилем плотности тока разряда.
Цель работы состоит в исследовании законов эволюции плазменного шнура в токамаке на протяжении всего разряда, начиная от стадии ионизации нейтрального газа и подъема тока до стадии безындукционного поддержания стационарного тока. Исследование проводилось методом математического моделирования физических процессов, сопоставления результатов расчета с экспериментом и выбора наиболее адекватной модели. Построение такой модели потребовало помимо изучения транспортных свойств плазмы, также решения ряда задач, связанных с распространением ВЧ волн в плазме токамака и кинетикой их взаимодействия с электронами В результате создан аппарат для анализа всего комплекса процессов, определяющих создание, эволюцию и поддержание плазменной конфигурации в токамаке.
Научная и практическая ценность. Разработана теоретическая модель формирования плазменного шнура в установках токамак. Модель включает в себя транспортные и МТД процессы, а также безындукционную генерацию тока. Представления, заложенные в основу модели, проверены путем сравнения с результатами экспериментов на токамаке Т-10 и ряде зарубежных установок. Развитая теория была использована при разработке физического задания на проектирование токамака T-I5. Сделана оценка мощности, необходимой для СВЧ-предыонизации, и проведена оптимизация сценария как индукционного, так и безындукционного старта разряда и подъема тока в токамаке-реакторе ИТЭР.
Научная новизна. Ниже перечислены наиболее важные из результатов, впервые полученных в настоящем исследовании.
1. Построена теория равновесия и удержания плазмы в
аксиально-симметричном тороидальном магнитном поле без
вращательного преобразования.
2. Предложена и исследована модель разрушения скинированного
профиля тока при развитии тиринг-неустойчивости с двумя
резонансными поверхностями. Этот механизм использован для
объяснения ускоренного проникновения полоидального магнитного
поля в плазменный шнур при подъеме тока и для самосогласо
ванного описания неустойчивости внутреннего срыва.
3. Рассчитана эффективность генерации тока ЭЦ волнами с малой
фазовой скоростью, а также НГ волнами в условиях аномального ухода быстрых электронов.
-
Разработан метод асимптотического решения волнового уравнения и исследовано влияние дифракции на деформацию спектра НГ волн при распространении в плазме.
-
Установлено, что существует предельная скорость подъема тока безындукционными методами. Эта скорость примерно на порядок ниже максимально допустимой скорости подъема тока в омическом разряде.
6. Показана возможность управления профилем НГ тока путем
задания спектрального распределения плотности энергии волн на
границе плазмы.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
При СВЧ ионизации плазмы в токамаке формируется половдально равновесная конфигурация без вращательного преобразования. Возникает тороидальный ток, который обеспечивает равновесие вплоть до предельного давления 4тр/1г < R/a. При достижении этого предела дальнейшее увеличение вводимой мощности .не имеет смысла.
-
Ионизация нейтрального газа в омическом разряде происходит с большим дефицитом энергии. Свыше 90Я5 вводимой мощности теряется на перезарядку и ионизацию. Поэтому существует минимально допустимое напряжение обхода, ниже которого формирование разряда невозможно. Величина этого напряжения линейно растет с ростом давления рабочего газа, а также зависит от конкретных условий разряда в каждой установке - состояния стенок, амплитуда рассеянных полей и т.п.
-
При быстром подъеме тока в токамаке возникают скинированные профили плотности тока. Показано, что при сохранении вмороженности потока возможен МГД-переход в состояние с меньшей энергией полоидального поля и меньшей степенью скинированности. Этот процесс сопровождается сильной МГД-активностыо на периферии плазмы. С ростом концентрации примесей скинирование подавляется за счет радиационного охлаждения периферии. В целом имеющиеся экспериментальные данные о подъеме тока не противоречат неоклассическому механизму проводимости.
4. Эволюция профиля плотности тока между двумя последователь
ными внутренними срывами также сопровождается образованием
скинированного профиля тока. Период релаксационных колебаний
обусловлен электронной теплопроводностью в центральной зоне
плазмы ае , поэтому измерения периода релаксационных колебаний
могут служить для определения эе .
5. Моделирование релаксационных колебаний плотности при
неустойчивости внутреннего срыва показало, что скорость
пинчевания частиц в центральной области плазменного шнура
совпадает с неоклассической.
-
Излучение примесей во многих случаях объясняет ограничение радиуса токового канала вблизи поверхности qQ = 2.5 и существование универсального профиля TQ. С увеличением концентрации примесей происходит образование и рост ширины островов вблизи рациональных магнитных поверхностей. Причем в омическом разряде перекрытие островов и потеря удержания наступает раньше, чем излучение примесей сравнивается с вложенной мощностью.
-
При генерации тока НГ волнами необходимо формировать на границе спектр волн с зависимостью от фазовой скорости вида iv2-v*)3. Это позволяет обеспечить наиболее плавный профиль плотности тока и уменьшить снижение эффективности, обусловленное уходом быстрых частиц.
8. Учет дифракции необходим в расчетах генерации тока НГ
волнами. Дифракция приводит к значительному уширеншэ спектра и
обогащению его замедленными волнами. Это объясняет эффективное
поглощение НГ волн в современных экспериментах и ограничивает
область их применения в реакторе периферийной зоной.
9. Эффективность генерации тока ЭЦ волнами падает с уменьшением
их фазовой скорости ниже и . Поэтому можно рассчитывать на
использование этих . волн только при поглощении на быстрых
электронах.
10. Скорость безындукционного подъема тока как функция
концентрации плазмы и вводимой мощности источника
Оезындукционного тока имеет максимум. Для НГ метода генерации
тока максимальная скорость достигается при п * 101scm~* и
трехкратном превышении ВЧ мощности над значением, необходимым
для поддержания постоянного тока. Даже оптимизированная скорость безындукционного роста тока примерно не порядок ниже скорости индукционного роста.
II. Аномальное увеличение частоты электрон-электронных столкновений сопровождается не только ростом электронной теплопроводности, но и увеличением скорости диффузии и пинчевания частиц, ростом бутстреп-тока, а также приводит к принципиальному изменению уравнений эволюции равновесной конфигурации. Нарушается свойство вморожвшгости полоидального потока в тороидальный и возникает вмороженность полоидального потока в концентрацию электронов.
Достоверность результатов. Обоснованность результатов диссертации обусловлена использованием регулярных математических методов, и подтверждена согласием с результатами последующих работ других советских и зарубежных авторов. Значительная часть выводов диссертации имеет также и экспериментальное подтверждение.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 27 печатных работах. Их список приведен в конце автореферата.
Материалы диссертации докладывались на Европейских конференциях по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы в 1981, 1985, 1987 и 1988гг., на Международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в 1978, 1980, 1982, 1984 и 1988гг., на Звенигородских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, на Всесоюзных семинарах по теории плазмы, на научных семинарах ИАЭ им. И.В.Курчатова, на советско-японском и советско-американских совещаниях по нагреву плазмы и поддержанию тока в установках токамак.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 212 страницах машинописного текста, содеркит 58 рисунков и 153 наименования литературы.
