Введение к работе
Актуальность темы исследований. Проблема съема тепловой энергии, выделяемой в плазме в результате термоядерных реакций, является одной из ключевых проблем в научно исследовательской и инженерной разработке проектов термоядерных реакторов на основе установки токамак (например, проекта Интернационального. Термоядерного Энергетического Реактора -ИТЭР). Общепринятым подходом к решению этой проблемы является концепция полоидального дивертора токамака. Важнейшим достижением 80-ых явилась демонстрация возможности работы полоидального дивертора токамака в режиме сильного рециклинга. В этом режиме вблизи диверторных пластин образуется относительно плотная и холодная плазма (з-ю эВ), что позволяет значительно уменьшить скорость эрозии диверторных пластин и улучшить условия откачки гелия. Однако, проблему теплосъема данный режим не решает.
В настоящее время эксперименты практически на всех диверторных токэмаках демонстрируют возможность работы дивертора в новом режиме, с detached (оторванной от диверторных пластин) плазмой. По сравнению с режимом сильного рециклинга, detached режимы характеризуются крайне низкой температурой (а 2 эВ) и повышенной плотностью (« ю21 м-3) плазмы вблизи диверторных пластин, а также в несколько раз меньшим потоком заряженных частиц и значительно уменьшенной тепловой нагрузкой на диверторные пластины. Анализ экспериментальных данных и численное моделирование процессов переноса в диверторной плазме показывают, что по своим свойствам detached плазма является рекомбинирующей. В современном проекте ИТЭР (на стадии инженерной разработки) режим с detached плазмой принят в качестве базового рабочего режима дивертора. Необходимость всестороннего исследования нового режима и определила тему диссертационной работы.
-і-
Цель работы состоит в создании физических моделей. (и расчетных программ), которые учитывают многообразные атомно-молекулярные процессы, процессы переноса заряженных и нейтральных частиц и резонансного излучения в диверторной плазме установок токамак; а также в исследовании на основе этих моделей ряда явлений, протекающих в режимах работы токамака с рекомбинирующей плазмой в диверторе.
Научная новизна. Ниже перечислены наиболее. важные из-результатов, впервые полученных в настоящем исследовании:
1. С помощью атомно-молекулярной столкновительно-
радиационной модели 'была рассчитана скорость процессов
молекулярно активированной рекомбинации в .водородной и в
водородно-гелиевой плазмах для широкого диапазона параметров
плазмы и газа.
2. Показано, что процессы молекулярно активированной
рекомбинации играют существенную -роль в балансе заряженных
частиц в условиях detached плазмы на установках с-моа и
NAGDIS-II.
3. Рассчитаны эффективные'скорости процессов перезаряд
ки ионов на атомах с учетом ступенчатых процессов возбужде
ния атомов в плазме. Показано, что увеличение эффективной
скорости по сравнению со скоростью перезарядки на атомах
основного состояния лимитировано скоростью образования
возбужденных частиц.
4.' С учетом заселения возбужденных состояний атомов эффективные скорости перезарядки многозарядных ионов могут быть сравнимы со скоростью ионизации атомов. В определенных условиях это может приводить к уменьшению зарядового состояния ионов и снижению скорости эрозии диверторных пластин.
-
Используя данные спектроскопических и зондовых измерений в диверторе токамака c-Mod, с помощью нульмерной модели диверторной плазмы был проведен многопараметрический анализ баланса частиц в плазме, который показал, что detached плазма является рекомбинирующей плазмой даже при сильной запертости излучения водорода в линиях са и ь«.
-
На основе одномерной транспортной модели, самосогласованно описывающей переносы плазмы, нейтрального газа и
резонансного излучения, были исследованы условия реализации режима "газового бланкета" в диверторе токамака-реактора и получены характеристики плазмы в этом режиме.
7. С помощью метода Монте-Карло проведено двумерное моделирование переноса нейтрального газа в диверторной плазме в условиях газового бланкета. Показано, что как скорость эрозии материальных поверхностей, так и поток нейтралов из дивертора в основную камеру токамака могут иметь приемлимые для реактора значения.
Научная и практическая ценность.
Разработаная столкновительно радиационная модель для
водородно-гелиевой плазмы позволила объяснить новое явление
- молекулярно активированную ' рекомбинацию в диверторной
плазме токамака. Результаты этих исследований могут быть
использованы при описании поведения плазмы во многих других
лабораторных низкотемпературных плазмах, как например в
источниках отрицательных ионов или в мошнах дуговых
плазмотронах.
Результаты численного моделирования режимов работы токамака с рекомбинирующей плазмой в диверторе были использованы в работе международной группы по проекту ИТЭР.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Столкновительно-радиационная модель (и расчетная
программа cramd) для описания характеристик атомно-
молекулярных процессов, протекающих в диверторной плазме
токамака. В модели одновременно учитываются: колебательные и
электронные возбужденные состояния частиц, многочисленные
элементарные процессы и химические реакции, влияние статис
тических микрополей плазмы на квантовую структуру и скорости
столкновительных' процессов атома в плазме, а также эффекты
поглощения резонансного линейчатого излучения в плазме.
2. Результаты расчетов эффективной скорости молекулярно
активированной рекомбинации в водородной и в водородно-
гелиевой плазмах.
3.Теоретическое исследование влияния столкновительно радиационной кинетики возбуждения атомов на процессы
*
перезарядки ионов на.атомах в плазме.-
4. Моделирование спектра излучения detached плазмы
установки c-Mod, результаты которого свидетельствуют о
рекомбинации плазмы в диверторе и показывают, что в
результате воздействия статистических микрополей плазмы
формируется монотонный переход линий дискретного спектра в
непрерывный спектр.
5. Анализ линейчатого спектра излучения плазм дивертора
токзмакэ c-Mod и установки nagdis-ii, результаты которого
показывают, что процессы молекулярно активированной рекомби
нации ИГраЮТ Важную РОЛЬ В реализации режИМОВ С detached
плазмой.
6. Результаты взаимосогласованного- моделирования
процессов переноса плазмы, нейтрального газа и резонансного
излучения в условиях режима "газового бланкета" дивертора
токамакэ-реактора.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 17 печатных работах. Их список приведен в конце автореферата.
Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладовались на европейских и международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, на международных совещаниях по теории пристеночной плазмы в термоядерных установках, на рабочих совещаниях международной рабочей группы по проекту ИТЭР, и на научных семинарах Института Ядерного Синтеза РНЦ "Курчатовский институт".
Структура-и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и трех глав. Основные выводы приводятся в конце каждой главы. Работа изложена на 151 странице машинописного текста и содержит 14 рисунков и 2 таблицы.
