Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования пристеночной плазмы врмоядерных установок - важная составляющая программы овладения правляемым синтезом ядер дейтерия и трития. Взаимодействие лаамы с ограничивающими её материальными поверхностями является сновным источником неводородных примесей в разряде. Связанные с ими радиационные потеря энергии могут препятствовать нагреву [дазмы и для достижения зажигания в реакторе самоподдерживающей-я реакции синтеза концентрация примесей не должна превышать іредельннй уровень, который в случае легких элементов (углерод, іислород) составляет несколько процентов, а для металлов (железо, івкедь, молибден) - долей процента. Помимо влияния на плазму феэмерная врозия материальных поверхностей потребует их частой жена, что в условияхгэнергетического реактора представляет зна-гательяые технические трудности. Состоянием пристеночной плазмы і большой степени определяется и условия вывода гелиевой "золы", концентрация которой в реакторе не должна превышать 5%. С процессами в пристеночной области связаны такие явления в токамаках как существование предельной плотности плазмы, переходы между различима режимами удержания анергии (так называемые И и L -режимы) и т.д.
Важное место среди процессов в пристеночной плазме, определяющих её состояние, принадлежит явление репиклинта. Оно состоит в том, что нейтральные атомы и молекулы (нейтралы), возникающие при рекомбинации ионов водорода а электронов на поверхности,вновь поступают в плазму. Здесь они участвуют в процессах ионизации, диссоциации, перезарядки, возбуждения. Появляющиеся при этом заряженные частицы выходят на поверхность я в результате вблизи неё возникает кругооборот вещества. Поскольку поток тепла, приходящий из центральных областей разряда, непосредственно стенкам передается падающими на неё частицами, рециклингом пристеночной плазмы определяется её температура и интенсивность эрозии поверхности. Исследования рециклинга водородной плазмы тесно связаны с изучением поведения в пристеночной области примесей, с одной стороны, им определяется интенсивность поступления примесей в центр разряда, с другой - излучение легких примесей может вносить значительный вклад в энергетический баланс периферийной плазмы.
[[елью работы является разработка теоретических моделей опи-сания нейтральных и заряженных частиц изотопов водорода и примесей в пристеночной области токамаков в условиях рециклинга как на первой стенке, параллельной магнитному полю, так и в конфигурациях с scrape-off' ауеъ ( SOL ) _ пристеночным слоем, в котором заряженные частицы уходят вдоль силовых линий магнитного поля на нейтрадизацяонные пластины диверторов и лимитеров. При атом ставятся задача объяснения природы явлений в реальных эксш рименталышх установках и изучения условий реализации режимов с холодной периферийной плазмой в реакторе с целью ограничения эр( зии стенок на безопасном уровне.
Натчная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты.
-
Теоретически исследована возможность понижения анергии частиц, бомбардирующих стенку реактора-токамака, при увеличении поперечной диффузии плазмы в пристеночной области.
-
Показана неустойчивость периферийной плазмы токамака по отношению к двумерным возмущениям в условиях рециклинга на стенке, параллельной магнитному полю.
-
Обнаружена неоднозначность зависимости параметров плазмь вблизи диверторных пластин от потоков частиц и теши в дивертор некоторых интервалах их изменения ; продемонстрирован пороговый характер перехода диверторной плазмы в состояние с высокой плотностью и низкой температурой.
-
Показано существование критических для режима с сильным рециклингом на нейтрализадионных пластинах потоков тепла и части в дивертор; предсказан глубоко дозвуковой характер течения вдол магнитного поля в основной части $01 в этом режиме а возник новение при определенных условиях областей, в которых плазма вытекает из диверторной камеры ; исследовано влияние термосилы на изменение концентрации изотопов водорода вдоль магнитного поля в
SDL реактора-токамака.
-
Учтено влияние взаимодействия с плазмой на состояние газ в камере дивертора. Показано, что при реакторных условиях плотность я температура газа должны быть сильно неоднородны по объем, камеры.
-
Исследован режим сильного рециклинга плазмы на лимитере, рассмотрена динамика переходов между состояниями с сильным и ела бым рециклингом.
-
Рассмотрены экранирующие свойства SOL win примесей, [оступапцих с первой стенки и лимитера. Показано, что при ис-іользовании откачного лимитера в реакторе-токамаке переход в юстояние сильного рециклйнга привел бы к снижении потока тяже-ых примесей в разряд на несколько порядков величины.
-
Проанализированы условия вывода гелиевой "золы" из тер-іоядерного реактора при сильном рециклинге плазмы на стенке и іейтрализационной поверхности открытого откачного лимитера,
-
Показано, что для перехода разряда в состояние с излуча-лцей периферией отношение потока тепла и плотности плазмы на ^анице пристеночной области долано быть меньше критического шачения, слабо зависящего от концентрации примеси.
Натчная и ..практическая ценность шботн. В диссертации теоретически исследуется природа процессов, протекающих в присте-і очной области реальных термоядерных установок типа токамак. На эснове развитых моделей предсказан и объяснен ряд экспериментальное фактов, связанных с возникновением состояний с холодной плот-зой плазмой вблизи диверторных пластин и лимитеров, с сильно излучающей периферией. Проведенное сравнение результатов расчетов и экспериментальных данных показало их качественное, а в некоторых случаях, и количественное согласие. Это дает основания для использования развитых моделей при описании пристеночной области будущих термоядерных устройств.
В работе исследованы условия реализации а основные особенности ряда режимов периферийной плазмы, благоприятных с точки зрения понижения уровня эрозии я тедловой нагрузки на материальные поверхности в токамаках. Эти результаты могут быть использованы при проектировании реакторов ОТР, ITEft , установок с зажиганием термоядерной реакции CIT , ТСП-2 для разработки методов защиты материальных поверхностей, контроля поступления примесей в рабочий объем, оптимизации тритиевого цикла реактора. ,
Автор выносит на зашит?:
-
Теоретическую модель описания пристеночной плазмы в условиях рециклйнга частиц на материальной поверхности, параллельной магнитному полю.
-
Концепцию турбулентного плазменного бланкета - периферийного слоя холодной плазмы с повышенным поперечным переносом частиц, - защищающего стенку от эрозии.
-
Результаты исследования масса-теплоаереноса в пристеночной плазме при стационарных винтовых возмущениях магнитного поля
-
Аналитическую модель для плазмы и нейтралов в SO& токамака с инвертором.
-
Результаты исследования режима работы дивертора с сильным рециклингом на нейтрализационных пластинах.
-
Результаты исследования режима "газовой мишени" в дивер-торе. Модель для расчета параметров нейтрального газа в дивертор ном объеме.
-
Аналитическую модель для расчета параметров плазмы и ней тралов в пристеночной области токамака с лимитером. Результаты исследования автоколебаний между состояниями с сильным и слабым рециклингом на лимитере.
-
Модели переноса примесей в SOL ив периферийной области токамака с учетом движения вдоль магнитного поля, аномальной и неоклассической поперечной диффузии.
-
Аналитическую модель энергетического баланса пристеночно области с учетом излучения легких примесей.
Аппробадия и публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [l-33j , а также на: 8-ой (Прага, 1977 г.), 10-ой (Москва, 1981 г.), 11-ой (Аахен, 1983 г. 12-ой (Будапешт, 1985 г.), 14-ой (Мадрид, 1987 г.), 15-ой (Дубровник, 1988 г.), 16-ой (Венеция, IS89 г.) Европейских конференциях по управляемому синтезу и физике плазмы ; 4-ой (Гармишпар-теркирхен, 1980 г.) и 8-ой (Юлих, 1988 г.) Международных конференциях по взаимодействию плазма-стенка в термоядерных устройствах ; Международном совещании по теории пристеночной плазмы в установках УТС (Аугустусбург, 1988 г.) ; совещании экспертов МАГАТЭ по альтернативным концепциям (Вена, 1986 г.) ; 4-ом симпозиуме экспертов МАГАТЭ по инженерным проблемам УТС (Ялта, 1986 г.) ; сессиях рабочей группы по проектированию международного реактора-токамака Ш1Т0Р (Бена, октябрь 1980 г., май 1984 г. октябрь 1984 г., октябрь 1986 г., июнь 1987 г.) ; Советско-Американских тематических совещаниях по физике пристеночной плазмы, конструкциям диверторов и лимитеров (Москва - 1979 и 1984 гг., Принстон - 1982 и 1987 гг.) ; 2-ой (1981 г.), 3-ей (1984 г.), 4-ой (1988 г.) Всесоюзных конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград) ; Всесоюзных конференциях, по физике плазмы и УТС (Звенигород), семинарах в ИАЭ им. И.В.Курча-
гова, ФТИ им. А.Ф .Иоффе, рТАНе.
Структура и' рбъем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 242 стр. текста, включая 56 рисунков и I таблицу, а также список цитируемой литературы из !84 наименований.
