Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение магнитного удержания высокотемпературной плазмы в установках типа токамак является одним из ключевых направлений исследований по программе управляемого термоядерного синтеза (УТС). Современный этап экспериментов на токамаках характеризуется, в первую очередь, поиском путей улучшения эффективности термоядерного реактора. Особую актуальность в этих условиях получили исследования поведения ионов изотопов водорода (водорода, дейтерия и трития) и скоростей стационарного вращения этих ионов в токамаке. С одной стороны, именно ионы изотопов водорода будут вступать в термоядерную реакцию, поэтому их нагрев и удержание являются определяющими для реактора. С другой стороны, в современном представлении об удержании плазмы в токамаке одну из ключевых ролей играют тороидальные и полоидальные потоки ионов на магнитных поверхностях, а так же радиальное электрическое поле. Исследование радиальных профилей температуры основных ионов плазмы, исследование влияние изотопного состава на удержание плазмы, измерение скоростей потоков основных ионов на магнитных поверхностях токамака, понимание природы формирования радиального электрического поля в токамаке – все это представляет интерес, как с точки зрения выяснения физических механизмов удержания высокотемпературной плазмы, так и для надежного предсказания рабочих режимов в условиях, характерных для будущего термоядерного реактора.
Задачей диссертационной работы является экспериментальное изучение и описание физических механизмов формирования функции распределения по энергиям основных ионов плазмы в центральных областях токамаков.
В диссертационной работе рассматриваются три основных направления исследований:
1. Исследование влияния изотопного состава на энергетическое время жизни плазмы и исследование воздействия борсодержащих материалов, используемых для покрытия стенок и лимиторов токамаков, на изотопный состав плазмы.
2. Исследование физических механизмов формирования радиальных профилей ионной температуры дейтерия в режимах с ионно-циклотронным нагревом на малой добавке водорода, в режимах с эргодическим дивертором и в режимах с большой гофрировкой тороидального магнитного поля.
3. Экспериментальное и теоретическое исследование скоростей потоков основной компоненты плазмы (дейтерия) в тороидальном и полоидальном направлениях, скоростей потоков примесей, а также процессов формирования стационарного радиального электрического поля в плазме токамака.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Проведено экспериментальное исследование поведения изотопного состава плазмы в условиях боронизованной стенки на токамаке Т-11М (Россия). Показано, что карборан на основе водорода, используемый для боронизации камеры на российских и китайских токамаках, приводит к значительному увеличению концентрации ионов водорода в дейтериевой плазме разряда.
-
Продемонстрирована отличная от tЕ~М0.5 зависимость поведения энергетического времени жизни плазмы tЕ при изменении эффективного изотопного веса ионов М от 1 до 2 в экспериментах с омическим нагревом в токамаке FTU (Италия).
-
Проведены измерения спектров потоков нейтралов перезарядки и радиального профиля температуры ионов дейтерия и водорода при, так называемом, ионно-циклотронном нагреве на малой добавке водорода в присутствии ионов бора в токамаке Т-11М. Эти измерения, впервые проведенные на токамаках, могут служить доказательством предсказанного ранее механизма нагрева ионов дейтерия полностью ионизованными ионами бора, которые получили энергию от ионной берштейновской волны, образованной в результате конверсии быстрой магнитозвуковой волны вблизи ион - ионного гибридного резонанса.
-
Показана возможность формирования в токамаках необычных плоских, или даже с минимумом в центре плазменного шнура, радиальных профилей ионной температуры при определенных величинах запаса устойчивости на примере исследования омических разрядов в токамаке TORE-SUPRA (Франция).
-
Впервые показано, что при работе эргодического дивертора существенно уменьшается центральная ионная температура в экспериментах на токамаке TORE-SUPRA.
-
Получен новый эффект: влияние радиального электрического поля плазмы токамака на доплеровский сдвиг спектральных линий в методе, в котором измеряется линейчатое излучение при различных квантовых переходах возбужденных ионов, образующихся в результате перезарядки (CXRS). Этот эффект, с одной стороны, приводит к ухудшению точности измерения скорости полоидального вращения плазмы, с другой стороны, дает принципиальную возможность измерения радиального электрического поля токамака.
-
Разработан метод измерения скорости полоидального вращения ионов дейтерия, как основной компоненты плазмы, при резких изменениях радиального электрического поля и проведены пионерские измерения скорости вращения плазмы методом корпускулярной диагностикой при переходе в режим улучшенного удержания на токамаке Т-11М.
-
Разработан метод измерения скорости тороидального вращения ионов дейтерия, как основной компоненты плазмы, и впервые на токамаках проведены измерения скорости тороидального вращения дейтерия, используя корпускулярные анализаторы токамака TORE-SUPRA.
-
Автором получено интегральное соотношение, связывающее радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и градиенты температуры и
плотности ионов. Показана возможность использования уравнения Пуассона в условиях квазинейтральности плазмы.
Научное и практическое значение работы:
Приведенное автором экспериментальное исследование поведения изотопного состава плазмы токамака Т-11М показало, что при использовании карборана для боронизации камеры и лимиторов токамака желательно во время синтеза этого вещества, применять дейтерий вместо водорода.
Проведенное исследование зависимости энергетического времени жизни плазмы от изотопного состава показало, что изменение от эффективного атомного веса ионов плазмы может существенно отличаться от традиционной зависимости tЕ~М0.5. Так как отсутствует в настоящее время понимание природы «изотопического эффекта» в токамаке, этот результат может существенно упростить подходы к теоретическому объяснению данного эффекта.
Приведены измерения функции распределения по энергиям ионов водорода и дейтерия в целом подтверждающие механизм нагрева основных ионов дейтерия полностью ионизованными ионами бора на токамаке Т-11М. Это открывает возможность применения подобной схемы, с использованием ионов бериллия, в токамаке ITER.
Автором показано, что в некоторых режимах работы будущего токамака-реактора могут возникнуть условия, которые приведут к формированию плоских, или даже с провалом в области центра плазмы радиальных профилей ионной температуры за счет гофрировки тороидального поля. Снижение центральной температуры ионов является негативным фактором. Поэтому, в реакторе необходимо будет избегать появления подобных режимов.
Проведенное автором исследование доплеровского сдвига спектральных линий в зависимости от электрического поля при измерении методом CXRS, может служить основой диагностического инструмента для измерения радиального электрического поля в плазме токамака.
Разработка методики прямого измерения скоростей потоков основных ионов плазмы и впервые проведенные измерения скоростей полоидальных и тороидальных потоков, открывают новые горизонты исследования процессов формирования различных улучшенных режимов удержания плазмы токамака.
Полученное автором интегральное соотношение, связывающее радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и градиенты температуры и плотности ионов, дает новое условие равновесия плазмы и может позволить связать экспериментально наблюдаемые скорости потоков плазмы с процессами удержания электронов и ионов для некоторых режимов работы токамаков.
Достоверность и обоснованность результатов исследований определяется проведением экспериментов в широком диапазоне параметров плазмы, сравнением особенностей поведения основных ионов плазмы в различных токамаках (Т-11М, Tore-Supra, FTU), новыми возможностями стандартных диагностических методик. Обоснованность приводимых выводов базируется на подробном анализе современных экспериментальных и теоретических исследований функций распределения основных ионов плазмы. Как указано ниже, полученные автором результаты прошли апробацию на видных российских и международных форумах, опубликованы в ведущих журналах по физике плазмы, что дополнительно свидетельствует об обоснованности и надежности результатов диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты исследования поведения изотопного состава плазмы токамака Т-11М в условиях боронизованной стенки. Показано, что наряду с улучшением характеристик плазмы, карборан на основе водорода, который используется для боронизации, приводит к значительному увеличению концентрации ионов водорода в дейтериевой плазме разряда. Исследования привели к практическому результату - необходимости замены в карборане водорода на дейтерий.
-
Более сильная зависимость энергетического времени жизни плазмы от изотопного состава, чем общепринятая tE~ M0.5 (M –средняя масса водородных ионов в плазме), при изменении эффективного атомного веса ионов плазмы от 1 до 2.
-
Результаты исследования радиального профиля температуры ионов дейтерия и водорода при ионно-циклотронном нагреве на малой добавке водорода в присутствии ионов бора в токамаке Т-11М. Эти измерения, впервые проведенные на токамаках, могут служить подтверждением механизма нагрева основных ионов дейтерия полностью ионизованными ионами бора, которые получили энергию от ионной бернштейновской волны, образованной в результате конверсии быстрой магнитозвуковой волны вблизи ион - ионного гибридного резонанса.
-
Обнаружение в токамаках с большой тороидальной гофрировкой плоских или даже с провалом в центре радиальных профилей ионной температуры (при определенных величинах запаса устойчивости) на примере исследования омических разрядов без пилообразных колебаний в плазме токамака TORE-SUPRA.
-
Результаты исследования влияния работы эргодического дивертора на уменьшение ионной температуры на оси плазмы в экспериментах на токамаке TORE-SUPRA.
-
Обнаружение эффекта, который проявляется в зависимости доплеровского сдвига спектральной линии от радиального электрического поля плазмы токамака при измерениях методом CXRS. Этот эффект приводит к необходимости введения поправок при измерении скорости полоидального вращения плазмы, но при этом дает принципиальную возможность измерения радиального электрического поля.
-
Метод измерения скорости полоидального вращения основных ионов при резких изменениях радиального электрического поля плазмы и пионерские измерения скорости вращения плазмы с помощью корпускулярной диагностики при переходе в режим улучшенного удержания на токамаке Т-11М.
-
Метод измерения скорости тороидального вращения основных ионов и впервые на токамаках проведенные измерения скорости тороидального вращения дейтерия в TORE-SUPRA.
-
Автором получено интегральное соотношение, связывающее радиальное электрическое поле, скорость тороидального и полоидального вращения плазмы и градиенты температуры и
плотности ионов. Оно характеризует условие равновесия плазмы в целом и может быть использовано для расчета радиального электрического поля для некоторых режимов работы токамаков.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях по Физике плазмы и УТС (Yokohama-1998, Montreal-1996, Cleawode-1991), Европейских конференциях по УТС и физике плазмы (London-2004, Sankt-Peterburg – 2003, Montreux-2002, Budapest-2000, Maastricht-1999, Berchtesgaden-1997, Innsbruck-1992, Amsterdam-1990), Интернациональной Шервудской теоретической конференции по управляемому синтезу (Wisconsin-1997), Совещание технического совета по малым установкам для управляемому синтезу (Sao Paulo-2001), Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Звенигород-2007, Троицк-2003, Санкт-Петербург 1997), на Конференциях по физике плазмы и УТС РАН (Звенигород 1987, 2007), а также на семинарах ТРИНИТИ (Троицк 1984 – 2004), на семинаре ЛФТИ им. М.С.Иоффе (Санкт-Петербург 1998), на научных семинарах ИЯС РНЦ «Курчатовский Институт» (Москва 2003, 2006-2007), на научных семинарах токамака Tore-Supra (Cadarache, France, 1998-200, 2003-2005).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 41 работа, из них 12 в реферированных журналах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 225 страниц. Диссертация содержит 83 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 176 наименований.
