Введение к работе
В диссертации представлены результаты экспериментального исследования параметров плазмы по излучению в мягкой рентгеновской области, в условиях мощного электронного циклотронного резонансного (ЭЦР) нагрева на стеллараторе Л-2М, после проведения процедуры боронизации. Основу диссертационной работы составили результаты, полученные в ходе проведения экспериментов в условиях мощного ЭЦР нагрева плазмы на стеллараторе Л-2М. Общей целью этих экспериментов было достижение очередного этапа на пути освоения энергии термоядерных реакций, создании промышленного реактора. В результате исследований были получены рекордные для России параметры плазмы стелларатора-энергосодержание W=850 Дж, концентрация
плазмы пет - Зх 1019да"3, электронная температура Те~1 кэВ.
В работе приведены описания экспериментальной установки, диагностического комплекса мягкого рентгеновского излучения, представлены результаты расчетов и измерений параметров плазмы. Исследован широкий спектр режимов работы экспериментальной установки: концентрация плазмы менялась в пределах от пе = 0.5 10 да"
до пе = 3' 1019да"3, а мощность ЭЦР нагрева от 100 до 500 кВт. Обнаружены закономерности в изменении параметров плазмы в условиях мощного ЭЦР нагрева.
Актуальность работы
Отличительной особенностью современного этапа исследований по управляемому термоядерному синтезу (УТС) в замкнутых магнитных системах является постепенный переход к завершающей стадии этих исследований - строительству термоядерного реактора. Непосредственной основой для этого этапа работ служили и служат исследования, проведенные ранее на различных экспериментальных установках. Результаты, представленные в данной работе были получены в процессе исследований плазмы на одной из таких установок - стеллараторе «Ливень-2М» (Л-2М).
В ходе многолетних исследований плазмы на установке Л-2М совершенствовалась техника эксперимента - менялась технология подготовки рабочей камеры, увеличивалась мощность нагрева, модернизировалась сама установка. В связи с этим для решения новых экспериментальных задач возникла необходимость в дальнейшем совершенствовании методов диагностирования.
Одной из таких задач, является достижение высоких температур частиц, в частности электронов. Эта задача актуальна в контексте решения проблемы УТС и стоит перед создателями всех установками находящихся в авангарде исследований [1], [2]. На стеллараторе Л-2М решение этой задачи имеет свои особенности. Так, при достигнутых в настоящее время мощностях нагрева Pecrh от 200 кВт и выше, в ряде экспериментов наблюдается «провальный» профиль концентрации плазмы [3]. При хордовых измерениях электронной температуры центра плазменного шнура это обстоятельство требует отдельного анализа ошибки вносимой «холодным» краем плазменного шнура в измеренное значение.
Измерения электронной температуры являются в свою очередь неотъемлемой частью вычислений различных параметров плазмы, один из них-эффективный заряд плазмы. Этот параметр является одним из наиболее важных, поскольку в процессе исследования плазмы, удерживаемой магнитным полем, одним из показателей удачной организации удержания является наименьший уровень загрязнения плазменного шнура атомами, входящими в состав стенок установки или же пленок на поверхности рабочей камеры. И в зависимости от технологии подготовки рабочей камеры установки, химического состава материала стенки камеры, количество и характер примесей может меняться в довольно широком диапазоне. Измерения эффективного заряда предусмотрены и в рамках проекта ITER.
На стеллараторе Л-2М с введением процедуры боронизации изменилась технология подготовки рабочей камеры, а это вызвало изменения состава плазмы, что потребовало, в итоге, пересчета ранее измеренного значения эффективного заряда плазмы [4] и дополнительного исследования процесса аккумуляции ионов примесей в плазменном шнуре, в условиях мощного энерговклада. Для этого были проведены измерения фактора превышения в различные моменты времени. Под фактором превышения здесь понимается превышение излучения, полученной в эксперименте плазмы над тормозным излучением чистой водородной плазмы: ^=(ІьР+ ІФ)/ 1ьн, где 1ьР и Lp - соответственно спектральные интенсивности тормозного и рекомбинационного излучения полученной в эксперименте плазмы, 1ш-спектральная интенсивность тормозного излучения чистой водородной плазмы.
В основе, используемых в работе, рентгеновских методов измерения параметров плазмы, лежит тот факт, что функция распределения электронов по скоростям определяет форму спектра непрерывного излучения плазмы. Это обстоятельство успешно используется для изучения вида этой функции распределения [5]. Информация о функции энергетического распределения электронов и методы получения этой информации представляют интерес, как в общем физическом смысле, так и в узком прикладном. С самой общей точки зрения эта зависимость представляет интерес для исследований, поскольку описывает степень взаимодействия частиц в ансамбле и служит, таким образом, характеристикой этого коллектива частиц. Прикладной аспект этой задачи продиктован теми теоретическими представлениями, которые лежат в основе измерений электронной температуры плазмы. При измерениях этой величины по излучению в диапазоне мягкого рентгеновского излучения необходимо, чтобы энергетическое распределение электронов соответствовало максвелловской функции. Это требование должно выполняться как при спектральных измерениях температуры, так и при амплитудных измерениях электронной температуры, т. е. - методом фольг. В противном случае в измерения вносится методическая ошибка.
Эксперименты, проведенные на Л-2М, показали, что рост удельного энерговклада может приводить к отклонению функции распределения от максвелловской и появлению группы высокоэнергичных - надтепловых электронов. Этот факт определил актуальность исследований функции энергетического распределения электронов.
Увеличение мощности ЭЦР нагрева и достижение высоких температур сопровождается ростом газокинетического давления, что в магнитных ловушках тороидального типа приводит к увеличению величины параметра Р (отношения газокинетического давление к давлению магнитного поля) и смещению магнитных поверхностей и магнитной оси по большому радиусу. Явление, первоначально было обнаружено в токама-ках, и носит название «шафрановский сдвиг» [6]. Смещение магнитных поверхностей ограничивает допустимое значение Р т. к. это смещение может стать причиной нарушения структуры вложенных магнитных поверхностей. Изучение этого явления ведется на ряде стеллараторов [7], [8]. Работы в этом направлении велись и на стеллараторе Л-2М.
С введением в эксплуатацию нового гиротронного комплекса вновь возникла необходимость в измерениях шафрановского сдвига, но уже при мощностях нагрева больших, чем прежде. Кроме этого, в данной работе измерения проводились для более широкого диапазона значений энергосодержания плазмы.
Полученные результаты представляют интерес для понимания процессов, происходящих в плазме стелларатора, в условиях мощного ЭЦР нагрева.
Основной целью данной работы было исследовать в эксперименте параметры электронной компоненты плазмы стелларатора Л-2М в условиях мощного ЭЦР нагрева, по излучению в мягком рентгеновском диапазоне. В ходе работы необходимо было решить следующие задачи:
-
Получение данных о пространственном распределении электронной температуры.
-
Исследование особенностей хордовых измерений электронной температуры: а) по спектру мягкого рентгеновского излучения (МРИ) и б) по интенсивности МРИ, методом фольг. Определение величины ошибки, вносимой хордовым характером измерений при различных режимах.
-
Определение функции энергетического распределения электронов, вид которой не-максвелловский. Оценка степени отклонения полученного распределения от макс-велловской функции.
-
Исследование влияния боронизации стенок рабочей камеры стелларатора на эффективный заряд плазмы при омическом режиме. Определение границы применимости вычислений эффективного заряда плазмы по спектру мягкого рентгеновского излучения
-
Измерение абсолютных значений интенсивностей мягкого рентгеновского излучения и его превышения над излучением чистой водородной плазмы в следствии накопления ионов примесей.
-
Измерение шафрановского сдвига оси магнитных поверхностей в режимах с широким диапазоном по мощности ЭЦР нагрева плазмы. Исследование влияния поперечного магнитного поля на величину сдвига магнитной оси.
Научная новизна работы
Проведение процедуры боронизации стенок рабочей камеры стеларатора Л-2М радикально изменило условия проведения эксперимента и параметры плазмы. Так, уже
первые эксперименты с боронизацией показали, что существенно изменился состав плазмы-исчезли тяжелые примеси, концентрация ионов кислорода и углерода уменьшились в 3-5 раз, а это, в свою очередь в 3-4 раза уменьшило радиационные потери плазмы, примерно на 30% увеличилась электронная температура, в 1.5-2 раза увеличилось энергетическое время жизни плазмы.
С введением в эксплуатацию нового гиротронного комплекса мощность ЭЦР нагрева плазмы возросла до Pecrh = 500 кВт, это позволило проводить эксперименты с
высокой плотностью плазмы пет=3х10 т~ . В итоге, удалось достичь рекордного для установки значения энергосодержания W=850 Дж. Реализация таких экспериментальных сценариев послужит дальнейшему развитию стеллараторных технологий и внесет определенный вклад в разработку концепции будущего термоядерного реактора на базе стелларатора.
Отсюда возникла необходимость в определении основных параметров плазмы (электронной температуры, эффективного заряда плазмы) в новых условиях с учетом возникших особенностей режимов (провальный профиль плотности, высокий удельный энерговклад). Эта работа была проделана на качественно ином уровне-с активным привлечением методов компьютерного моделирования. Кроме этого, были реализованы новые возможности: определена функция энергетического распределения электронов; исследован процесс аккумуляции ионов примесей в плазменном шнуре; для широкого диапазона энергий плазмы измерено смещение оси магнитных поверхностей, исследовано влияние поперечного поля на величину сдвига. Сделан вывод об отсутствии самосогласованности профилей газокинетического давления (стремлении плазмы сохранить пространственные профили газокинетического давления).
Главными практическими результатами работы является получение данных об электронной компоненте плазмы в условиях мощного ЭЦР нагрева с удельной мощностью до 2 МВт/м3, а также демонстрация достаточно высокой эффективности и оперативной гибкости методов диагностирования по излучению в мягком рентгеновском диапазоне, с одновременным анализом слабых сторон этих методов.
Научная ценность работы состоит в том, что в контексте рекордных для России успехов стеллараторных технологий с помощью диагностики мягкого рентгеновского излучения был решен комплекс задач. Для новых, более продвинутых условий экспе-
римента были получены конкретные значения параметров плазмы, проанализированы трудности в трактовке результатов измерений, что в итоге внесло свой вклад в дальнейшее развитие методов диагностирования.
Положения диссертационной работы, выносимые на защиту: 1) Уплощение пространственного профиля электронной температуры происходит с увеличением мощности нагрева в условиях высокого удельного энергвклада, в широ-
1 Q _ Q 1 О _ Q
ких диапазонах концентраций плазмы (от пе = 0.5 10 т~ до ие = 3 10 т )5 и мощностей нагрева от 100 кВт до 500 кВт.
2) Измерения электронной температуры по излучению в мягком рентгеновском диапазоне носят хордовый характер. Это приводит к занижению измеряемой температуры. Обнаружено, что с введением в строй нового гиротронного комплекса, в условиях мощного ЭЦР нагрева при провальном профиле концентрации плазмы занижение измеренной по спектру электронной температуры может превышать ранее определенные 10% и достигать 15%.
-
В режимах с ЭЦР нагревом плазмы в стеллараторе Л-2М при высоких значениях параметра р=1019(Р/пе), (здесь Р-мощность ЭЦР нагрева в кВт, пе - средняя по хорде плотность(м3)), распределение электронов по энергиям отклоняется от максвелловско-го. Разработанная методика, позволяет определить немаксвелловскую функцию распределения электронов из измеренного спектра мягкого рентгеновского излучения.
-
С введением процедуры боронизации существенно изменился состав плазм: исчезли ионы тяжелых элементов, и значения эффективного заряда плазмы оказались интервале от 1.5 до 3. До введения процедуры боронизации эти значения менялись в пределах от 3 до 6.5. В условиях мощного ЭЦР нагрева с увеличением концентрации плазмы значение эффективного заряда плазмы не изменяется.
-
Наблюдения эволюции фактора превышения показали, что значение этой величины практически не изменяется в течение импульса во всех рассмотренных режимах. Из этого сделан вывод, что во время импульса в центре плазменного шнура значительной аккумуляции примесей не происходит. В основных режимах величина фактора превышения q не превосходит значения 20.
-
В условиях мощного центрального ЭЦР нагрева (Pecrh = 500 кВт, при этом среднее значение параметра <Р>~0.3%), измерен сдвиг магнитных поверхностей. Об-
наружено, что сдвиг слабо зависит от энергосодержания. Это возможно связано с перестройкой, уплощением профиля газокинетического давления плазмы при увеличении энергосодержания. В экспериментах по измерению шафрановского сдвига на стеллара-торе Л-2М при мощном центральном ЭЦР нагреве не был обнаружен эффект самосогласования профиля газокинетического давления (т. е. нормированных профилей ГКД), который наблюдался в ряде токамаков.
Достоверность научных результатов
Достоверность полученных в ходе исследований результатов обеспечена многократным повторением измерений, сопоставлением данных измерений, выполненных различными диагностическими средствами, результатов численного моделирования.
Апробация работы
Диссертация выполнена в отделе физики плазмы Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах ИОФ РАН, а также на международных и всероссийских конференциях по физике плазмы: XXXII-XL Международные конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2005-2013 гг.), XI-XIV Всероссийские конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» (2005-2011 г. г.), 20 и 17 Международные конференции по физике плазмы и УТС в Японии (Токи 2007 и 2010 гг.)
Личное участие автора
Все представленные в диссертации результаты получены автором лично либо при его активном участии. Автор участвовал во всех этапах проведения эксперимента: настройке диагностического комплекса, получении экспериментальных данных, последующем анализе и интерпретации результатов. Автором предложен алгоритм измерения эволюции фактора превышения с помощью многохордовой диагностики «Диарен».
Все работы, опубликованные в соавторстве, были выполнены при личном участии автора.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, семи глав основного текста, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 147 страниц текста, в том числе: 2 таблицы, 51 рисунок и список литературы, состоящий из 92 наименований.,
Похожие диссертации на Исследование параметров плазмы по излучению в мягкой рентгеновской области при мощном электронном циклотронном нагреве на стеллараторе Л-2М
