Введение к работе
Актуальность темы. Для успешной и безопасной промышленной эксплуатации будущих термоядерных реакторов построенных на концепции токамака необходимо более полное решение проблемы устойчивости плазмы. Наиболее опасны глобальные неустойчивости, связанные с крупномасштабными возмущениями плазмы — магнитогидродинамические (МГД) -неустойчивости. МГД-неустойчивости очень опасны, так как развившись они могут привести к быстрому и полному разрушению плазмы — срыву, при этом происходит неуправляемое выделение недопустимо большого количества тепловой и магнитной энергии на стенках разрядной камеры и развиваются токовые нагрузки в электромагнитной системе токамака.
Актуальность работы. Качественным признаком развития неустойчивости плазмы считают различные колебания и нерегулярности в поведении ее параметров. Флюктуации магнитного поля тока плазменного шнура, Вв,
связанные с движениями токовой плазмы один из типичных индикаторов ее МГД-неустойчивостей. Эволюция этих флюктуации предоставляет возможность прямого исследования магнитной структуры плазменного шнура.
Измерение флюктуации полей с помощью локальных катушек — магнитных зондов — один из наиболее распространенных методов регистрации колебаний и неустойчивостей плазмы. Он широко используется при изучении винтовых возмущений плазменного шнура. Обычно система детектирования колебаний содержит несколько зондов, расположенных в одном сечении плазменного шнура. Наличие таких групп зондов в нескольких сечениях заметно расширяет возможности изучения пространственной структуры возмущений магнитного поля. Также с помощью зондов кроме измерений флюктуации поля можно регистрировать и поле равновесия, что придает магнитным зондам универсальный характер.
Магнитный зонд, как детектор — сравнительно прост и дешев в изготовлении по сравнению с другими диагностиками, что определило наличие магнитных зондов практически на всех установках типа токамак. Но наряду с простотой самих зондов существуют некоторые методические проблемы, которые, в определенной степени, ограничивают их эффективное использование. Последовательному решению их посвящена диссертация.
Конечная цель работы — исследование МГД-возмущений плазмы при развитии неустойчивости срыва. Промежуточные этапы —
-
Создание диагностики определения положения плазменного шнура на основе магнитных измерений наТокамаке-ИМ.
-
Создание МГД-диагностики на Токамаке-ПМ и отработка методики исследования динамики и структуры развития неустойчивости срыва. Наработка базы экспериментальных данных.
-
Исследование динамики и структуры МГД-возмущений плазмы в процессе развития неустойчивости срыва.
Научная новизна работы состоит:
-
В разработке простого алгоритма, позволяющего взаимосвязанно определить смещение и малый радиус плазменного шнура.
-
Создании гибкой системы регистрации и обработки данных для исследования МГД-активности плазмы как для быстротечных (неустойчивость срыва), так и для существенно более продолжительных процессов (например, "запертая" мода).
-
Исследовании механизма генерации положительного пика тока в срыве важного для предсказания взаимодействия плазма-стенка.
-
Исследовании поведения пространственной структуры магнитных возмущений в течение срыва, в частности, их винтовой симметрии.
Практическая ценность работы состоит в создании МГД-диагностики на Токамаке-UM и отработки методики исследования динамики и структуры МГД-возмущений плазмы в процессе срыва. Произведено исследование динамики и структуры МГД-возмущений плазмы при развитии неустойчивости срыва. Собрана база экспериментальных данных для создания "Атласа возмущений тока плазмы" в различных условиях разряда. Создана и эксплуатируется система определения положения плазменного шнура на установке Т-11М на основе локальных магнитных зондов, петли для измерения среднего поперечного поля, BL, и локальной петли в области расположения зондов для измерения поперечного поля, B±(s), с целью исключить непосредственное влияние проникающего поля на
показания зондов. На базе этой системы ведутся работы по улучшению системы управления равновесием шнура.
В ходе выполнения работы впервые:
-
Создана комплексная система пространственных измерений магнитных флюктуации плазменного шнура с полным числом измерительных каналов - 63, с 78 магнитными датчиками распределенными в 4-х сечениях тора, позволяющая регистрировать изменения магнитных структур в токамаке с временным разрешением lus.
-
С ее помощью обнаружена винтовая природа положительного импульса тока, генерируемого в срыве.
-
Обнаружены возмущения с п>1 в срыве.
-
Обнаружено ясно выраженное нарушение винтовой геометрии магнитных возмущений в срыве в тороидальных сечениях, разделенных уже на 40 вдоль тора.
Автор выносит на защиту:
-
Создание комплексной системы пространственных измерений магнитных флюктуации плазменного шнура (МГД-диагностика на токамаке Т-11М).
-
Развитие методов исследования динамики и структуры МГД-возмущений плазмы. Математическое и программное обеспечение МГД-диагностики для анализа данных точечных магнитных зондов и визуального представления исходных и обработанных данных.
-
Исследования механизма генерации положительного пика тока и поведения пространственной структуры магнитных возмущений при развитии неустойчивости срыва.
Апробация работы и публикации. Созданные диагностики — определение положения плазменного шнура на основе магнитных измерений и МГД-диагностика — устойчиво работают в составе диагностического комплекса установки Т- П М.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались: на Звенигородской конференции по Физике Плазмы и УТС (1993, 1996,1998гг.);
на 22, 23, 24 конференциях Европейского Физического Общества по Controlled Fusion and Plasma Physics (Bournemouth, 1995, Kiev, 1996, Berchtesgaden, 1997);
на 15, 16 Международных конференциях МАГАТЭ по Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research (Севилья, 1994г., Монреаль, 1996г.).
В диссертацию вошли материалы, полученные в период с 1988г. по 1997г. и опубликованы в журналах Физика Плазмы, Journal of Nuclear Materials, Physics of Plasmas, Plasma Physics and Controlled Fusion, а также в виде докладов в сборниках материалов научных конференций.
Диссертация обсуждалась на заседании НС ОФТР ГНЦ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований".
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Первая глава посвящена развитию и современному состоянию зондовых магнитных измерений на установках типа "Токамак", задачам решаемым с помощью магнитных измерений. Проведен анализ возможностей использования резонансных поясов и точечных магнитных зондов в исследованиях динамики и структуры МГД-возмущений плазмы. Вторая и третья главы посвящены разработке диагностической аппаратуры и программных средств необходимых для проведения исследований динамики и структуры МГД-возмущений плазмы. Вторая глава посвящена диагностике определения положения плазменного шнура по магнитным измерениям на Т-11М. Приведено обоснование выбора метода определения положения плазменного шнура, представлено аппаратно-программное обеспечение и результаты работы диагностики. Третья глава содержит описание МГД-диагностики созданной для исследования МГД-возмущений плазмы. В главе приведены решения методических вопросов связанных с регистрацией и анализом сигналов магнитных зондов. Создание МГД-диагностики осуществлялось, как построение гибкой системы, дающей возможность работать диагностике в достаточно широком диапазоне и обеспечить исследования в разных направлениях. Четвертая глава посвящена исследованию МГД-возмущений плазмы в Т-11М. Она содержит краткое описание компьютерной программы, позволяющей проводить комплексную обработку и представление результатов регистрации МГД-возмущений и результаты исследования структуры и динамики МГД-возмущений плазмы при развитии
неустойчивости срыва. В Заключении сформулированы основные выводы работы. В Приложении приведены отдельные фрагменты (из-за большого объема полного текста) компьютерной программы MHD разработанной автором для анализа данных точечных магнитных зондов и визуального представления исходных и обработанных данных.
Диссертация изложена на 117 страницах печатного текста, содержит 28 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 68 наименований. Приложение составляет 18 страниц печатного текста. Общий объем 135 страниц.
