Введение к работе
Актуальность темы. За последнее десятилетие инжекция твердоводородных макрочастиц стала одной из обязательных составляющих в системах подпитки плазмы на большинстве токамаков. Система инжекции включена в качестве основной в систему ввода топлива в проектируемый международньгії управляемый термоядерный реактор ITER. Интерес к инжекщш макрочастиц объясняется тем, что данный способ позволяет вводить большое количество топлива в наиболее горячую центральную область плазмы, улучшая ее характеристики. Одновременно с вводом топлива в термоядерную установку появляется возможность управлять формой профилей концентрации и температуры частиц, влиять на времена удержания энергии и частиц, применять специфические методы диагностики плазмы. Наиболее полно последняя возможность проявляется при инжекции примесных макрочастиц, которые при достаточных размерах могут обеспечить также быстрое гашение разряда в опасных ситуациях.
Одной из центральных физических проблем в проекте ITER является предсказание времен энергоудержания и жизни частиц, определяющих многие инженерные параметры будущего реактора. Для правильного ответа на данный вопрос необходимо тщательное изучение процессов переноса в действующих установках. Особенно важно правильно описать реакцию плазмы на различные возмущения, среди которых инжекция является одним из наиболее существенных. Несмотря на интенсивные исследования в этом направлении, в физике процессов переноса остается много непонятных или спорных вопросов.
Проведение экспериментов требует совершенствования н развития техники для инжекции макрочастиц, в частности разработки собственно инжекторов и устройств для диагностики параметров макрочастиц.
Цели работы. Данная диссертация посвящена исследованию электронного переноса в плазме при инжекции макрочастиц, а также развитию техники, необходимой для подобных экспериментов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Эволюция возмущений температуры и плотности при инжекции макрочастиц проанализирована с учетом взаимного влияния теплопроводности и диффузии. Показано, что при водородной инжекции, в отличие от примесной, реализуется вариант связанного переноса тепла и частиц. Показано увеличение коэффициентов переноса после инжекции и получены скейлинш для коэффициентов температуропроводности, диффузии и скорости пинчевания электронов.
-
Показано, что модель самосогласованных профилей адекватно описывает эволюцию плазмы после инжекции только в случае учета фактора забывания.
-
Инициирован переход в режим с улучшенным удержанием (L-H-переход Н-режим) в ЭЦРН-плазме с помощью инжекции медленной дейтериевой макрочастицы. Показано, что основное отличие от разрядов без L-H-перехода состоит в месте испарения макрочастицы. Предложено использовать инжекцию по нецентральной хорде со стороны сильного магнитного поля пли тангенциальную инжекцию для перехода в Н-режим ЭЦРН-плазмы.
-
Предложены новые устройства для контроля массы макрочастиц и обеспечения вакуумной коммутации в периодических инжекторах.
Практическая значимость работы.
В работе выполнено экспериментальное исследование процессов электронного переноса и оценки транспортных коэффициентов после инжекции макрочастиц. Показано, что при рассмотрении переноса тепла после инжекции водородных макрочастиц необходимо учитывать влияние на него переноса частиц. На примере модели канонических профилей показано, что инжекцию макрочастиц следует рассматривать как сильное возмущение плазмы, приводящее к "забыванию" плазмой доинжекционных каноничеких профилей. Продемонстрирована возможность инициирования перехода в Н-режим с помощью инжекции медленной макрочастицы в ЭЦРН-плазму. Предложено использовать шгжекцию макрочастиц по нецентральной хорде или тангенциально для инициирования перехода в Н-режим. Отмечены явления сверхбыстрого переноса тепла при инжекции и быстрой глобальной перестройки профилей коэффициентов переноса, что говорит о необходимости дальнейшего развития моделей, учитывающих глобальные свойства процессов переноса в плазме.
Разработана аппаратура для инжекторов, позволяющая выполнять бесконтактное взвешивание макрочастиц даже в условиях их большого углового разлета, что делает возможным эксперименты по исследованию эффективности ввода топлива в токамак и создание следящих систем ввода топлива в токамак.
Основные положения, выносимые на зашиту.
1. Исследование связанного электронного переноса тепла и частиц при инжекции макрочастиц в плазму токамака Т-10. Экспериментальные оценки коэффициентов переноса с использованием инжекции макрочастиц.
-
Результаты сравнения данных о температуропроводности х„> полученных динамическими методами между собой и с расчетом %с на основе стационарного баланса тепла и частиц.
-
Скейлинги для коэффициентов переноса х„, De и v' Вывод о том, что наилучшее совпадение с экспериментальными данными и полученными скейлингами дает скейлинг Т-11 для %е-
-
Вывод о том, что при водородной инжекции связанный перенос тепла и частиц доминирует, в то время как при примесной инжекции можно разделить транспорт тепла и частиц.
-
Результаты моделирования эволюции электронной температуры для различных разрядов после инжекции и полученные оптимальные профили хг, также лучше всего совпадающие со скейлингом Т-11.
Вывод о необходимости учета фактора забывания в модели самосогласованных профилей при описании эволюции плазмы после инжекции.
-
Обнаружение перехода в Н-режим в ЭЦРН-плазме с помощью инжекции медленной дейтериевой макрочастицы в плазму токамака Т-10. Качественное объяснение наблюдаемого перехода на основе представлений о роли градиента давления около последней магнитной замкнутой поверхности. Вывод о необходимости периферийного испарения макрочастицы и мощного ЭЦР-нагрева для инициирования L-Н-перехода в плазме токамака Т-10 с помощью инжекции макрочастицы. Предложение об использовании инжекции по нецентральной хорде или в тангенциатьном направлении для инициирования L-H-перехода.
-
Разработаны физические основы и созданы устройства для измерения параметров макрочастиц и обеспечения периодического ввода топлива.
Апробация работы.
Результаты исследовании публиковались в сборниках и докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1990 - 1992), на международных конференциях по ФП и УТС (Вашингтон, 1990; Берлин, 1991; Нью-Орлеан, 1994; Борнмут, 1995), на международном совещании по проблемам переноса в плазме (Утрехт, 1991), на 5-й Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1990), а также на семинарах в СПбГТУ, ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ИЯС РНЦ "Курчатовский институт". В диссертацию включены материалы, опубликованные в 11 печатных работах и одном авторском свидетельстве на изобретение, которые были выполнены в период с 1989 по 1996 год.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы и заключение. В диссертации 170 страниц печатного текста, в том числе 52 рисунка, 5 таблиц и список литературы, включающий 143 наименования.
