Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в России и за рубежом спроектированы и построены токамаки нового поколения, которые предназначены для обеспечения следующего шага на пути решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. Известно, что для достижения термоядерных параметров плазмы в токамаке важно не только нагреть ее, но и получить максимальное удеркание энергии и частиц. Однако, информация, получаемая из экспериментов, говорит о том, что величины и характер поведения электронной теплопроводности и диффузии частиц в токамаке аномальны. До сих пор нет однозначного ответа на вопрос о механизме аномального переноса, а также о зависимости аномальных транспортных коэффициентов от параметров плазмы. Для решения этой проблемы используются различные методы исследований. Это могут быть специальные эксперименты, целью которых является изучение взаимосвязи параметров плазмы при различных режимах токамака. С другой стороны, развитый математический аппарат дает возможность создавать транспортные модели баланса энергии и частиц. Из-за своей простоты транспортные модели чрезвычайно удобны для изучения эволюционных процессов в тороидальных системах и поэтому имеют широкое признание.
Математические модели переноса в тороидальных ловушках, реализованные на ЭВМ, получили название "транспортных кодов". В настоящее время такие коды имеются практически во всех лабораториях, ведущих экспериментальные и теоретические работы по тока-макам и сгеллараторам. Обычно транспортные коды используют общепринятые представления о переносе. Однако в последнее время были получены новые реязшы с улучшенным удержанием энергии. Они дали толчок к пересмотру концепций о классическом характере переноса энергии в плазме. На смену представлениям о локальном характере переноса , приходят новые идеи о "самоорганизации" плазш и существовании некоторых выделенных "канонических" или "оптимальных" профилей параметров плазмы (плотности тока j, давления р, температуры электронов и ионов тр ^).
Объединение теоретических представлений и экспериментального
материала логически приводит к созданию моделей нового типа -"смешанных", в которых экспериментальная информация на равных участвует в численном эксперименте. Участие экспериментальной информации в расчетах накладывает определенные условия на достоверность информации о параметрах плазмы, так как достоверность результатов, полученных в численном эксперименте с помощью смешанной модели, зависит не только от качества и количества теоретических допущений, но и от качества вводимой экспериментальной информации. И в данном случае критерием удовлетворительной работы сметанной модели может быть разумное согласие параметров плазмы, измеряемых в эксперименте, с соответствующими расчетными величинами.
Еще одна область, в которой можно успешно применить концепцию смешаных моделей - это прогноз эксперимента. Если модель хорошо "отлажена", основана на надежном теоретическом фундаменте, успешно прошла проверку на практике, то прогноз отличается высокой точностью. В этой ситуации появляется возможность надежно предсказать особенности поведения плазмы, а также рассмотреть параметры проектируемых установок.
Прогноз очень полезен при планировании экспериментов. Он позволяет провести всю подготовку целенаправленно, заранее установить наиболее интересные режимы, определить области параметров, в которых изучаемые зависимости подвержены наиболее резким изменениям, носят пороговый характер.
Использование смешанных моделей для прогнозирования не требует проведения расчетов с применением замкнутой системы уравнений. Возможно решение лишь части уравнений, а для остальных функций используется достоверная экспериментальная информация. Это означает, что смешанная модель и транспортный код реализующий ее, должны иметь определенную "гибкость" по отношению как к математической модели, так и экспериментальным данным. Опыт работы со смешанными моделями показывает, что их использование существенно экономит материальные ресурсы (время использования и память ЭВМ ) и дает возможность с большей эффективностью решать задачи, связанные с переносом тепла и частиц в токамаке.
В представленной диссертации рассмотрены вопросы, связанные с применением смешанных моделей в изучении процессов переноса тепла и частиц в плазме токамака. Их дальнейшая разработка
делает актуальной тему диссертации. Целью диссертации является:
-
Проведение анализа экспериментальных данных- на установке Т-10 на основе концепции смешанных моделей, реализованной с помощью транспортного кода ASTRA.
-
Проверка моделей, связанных с зависимостью коэффициента теплопроводности, от абсолютного значения градиента давления.
3. Проведение численного эксперимента с помощью матема
тической модели, включающей концепцию самоорганизации плазмы и
существования канонических или оптимальных профилей для плазмен
ных параметров.
-
Определение области влияния канонического профиля на профили плазменных параметров (Ге, т^, р , j и др.). Численный анализ влияния эффекта "забивания" на аномальный перенос тепла в плазме.
-
Проверка единой модели энергобаланса для электронной и ионной компонент плазмы с учетом эффекта забывания.
Научная новизна.
С единой точки зрения анализируются различные процессы переноса тепла на различных установках токамак. Показано, что профильные эффекты влияют на перенос тепла в плазме и на основании анализа экспериментальных данных подтверждена возможность классификации режимов по параметру ne/I .
Показано, что гипотеза о существовании "предельных" профилей но противоречит обработанным режимам из базы данных установки Т-10.
Обнаружено, что существует определенная зависимость коэффициента электронной теплопроводности от абсолютного значения градиента давления.
Изучена модель коэффициентов переноса, зависящих от относительных профилей давления р(г) и плотности тока j(r). Модель позволила удовлетворительно согласовать экспериментальные профили электронной температуры с расчетными в широком диапазоне величин мощности дополнительного нагрева.
исследована модель, использующая концепцию канонических профилей и удовлетворительно описывающая не только центральный нагрев, но и нагрев со значительно смещенной зоной ЭЦРН для ионной и электронной компоненты плазмы.
Впервые с единых позиций с помощью модели канонических профилей, содержащей эф|ект "забывания", описаны режимы с улучшенным удержанием плазмы .
На основе транспортного кода ASTRA были созданы модели нового типа - называемые "смешанными". Модели такого типа позволяют быстро и эффективно анализировать роль различных физических механизмов переноса.
Практическая ценность.
Разработанные в диссертации модели, алгоритмы и программы были использованы для обработки экспериментальных данных и для расчетов баланса энергии и частиц в проектируемых установках (ИНТОР. ITER и др.). Применение смешанных моделей и транспортные коды, реализующие их в численных расчетах, показали хорошее согласие с экспериментами на установках Т-Ю, TFTR, DIII-D, -JET и др. Для IBM PC/AT создан комплекс программ ASTRA для решения задач переноса тепла и частиц.
Публикации.
Основное содержание диссертации изложено в работах [I-I6], выполненных автором в I979-1991 годах.
Апробация.
Результаты диссертации докладывались на 7-ой Европейской конференции по физике плазмы и УТС в Иннсбруке в 1979г., 14-ой Европейской конференции по физике плазмы и УТС в Мадриде в 1987г., 15-ой Европейской конференции по физике плазмы и нагреву плазмы в Дубровнике в 1988г., 17-ой Европейской конференции по физике плазмы и нагреву плазмы в Амстердаме в 1990г., 5-ом Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы в Минске в'19Э0г., 18-ой Европейской конференции по физике плазмы и УТС в Берлине в 1991г., на научных семинарах отдела "Токамаков" ОФП ИАЭ им.И.В.Курчатова. Структура диссертации. -
Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Объем диссертации - 123 страниц, включая 50 рисунков, 2 таблиц и библиографии из 54 наименований.
