Размещено на http://www.allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. В.Н. КАРАЗІНА

СОРОКОВИЙ Едуард Леонідович

УДК 533.9

ПРОЦЕСИ ПЕРЕНЕСЕННЯ В ГРАНИЧНІЙ ПЛАЗМІ ТОРСАТРОНА ”УРАГАН-3М”

01.04.08 - фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики плазми Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Чечкін Віктор Васильович, Інститут фізики плазми Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут”, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: кандидат фізико-математичних наук, професор, Муратов Володимир Іванович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідуючий кафедри фізики плазми;

доктор фізико-математичних наук, професор, П'ятак Олександр Іванович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідуючий кафедри фізики.

Провідна установа: Інститут ядерних досліджень НАН України, м. Київ, відділ фізики плазми.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, площа Свободи, 4.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради _____________ Письменецький С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У замкнутих магнітних пастках типу токамака і стеларатора між основною плазмою в об'ємі утримання й стінкою вакуумної камери (першою стінкою) існує шар граничної, або крайової, плазми (edge plasma). В деяких роботах до граничної плазми відносять так званий радіаційний шар - самий зовнішній шар об'єму утримання, що примикає зсередини до крайньої замкнутої магнітної поверхні (КЗМП), і шар із відкритими магнітними силовими лініями - так званий шар, що обдирається (sсrape-off-layer, SOL). Потоки частинок і тепла, що виходять з об'єму утримання, перетинають КЗМП і поступають у SOL. В дисертаційній роботі під граничною плазмою розуміється тільки плазма, що знаходиться в SOL. Положення КЗМП визначається або матеріальним лімітером, як у токамаках, або самою граничною структурою магнітного поля, як у геліотронах/торсатронах (“магнітна діафрагма”). В останньому випадку частина відкритих магнітних силових ліній відхиляється від граничного шару у бік стіни, тим самим формуючи природний гвинтовий дивертор, і тому диверторну зону можна розглядати як частину SOL, або як продовження SOL, а плазму, що дивертується, як частину граничної плазми. Диверторний пристрій, за допомогою якого потік частинок і тепла, що виходить з об'єму утримання в SOL, уздовж диверторних силових ліній прямує в спеціально підготовлене місце прийому (камера з приймальними пластинами й системою відкачування), використовується в більшості сучасних замкнутих магнітних пастках для поліпшення параметрів утримуваної плазми. Завдяки дивертору також значною мірою запобігається надходження іонів домішок ззовні в об'єм утримання. заряджений частинка плазма торсатрон

Фізичні процеси, що відбуваються в об'ємі утримання, SOL і диверторній зони, через потоки частинок і тепла, що виходять з об'єму утримання, повинні бути тісно зв'язані між собою. Процеси перенесення плазми в SOL і диверторній зони, механізми цього перенесення, зв'язок між характеристиками перенесення в граничній плазмі й характеристиками плазми в об'ємі утримання є необхідним і важливим предметом досліджень на всіх сучасних замкнутих магнітних пастках незалежно від їх типу. Проте, багато важливих аспектів цієї проблеми все ще залишаються не з'ясованими взагалі або з'ясованими недостатньо. З уведенням у дію кожної нової дослідницької установки з відмінними від колишніх параметрами магнітної конфігурації й способами створення й нагріву плазми можуть виявлятися нові, раніше не досліджені ефекти. Повною мірою це відноситься й до замкнутої магнітної пастки стелараторного типу торсатрону “Ураган-3М” (У-3М) із відкритим гвинтовим дивертором, на якому проводилися дослідження, описані в дисертаційній роботі.

З різноманіття питань, що можуть привертати інтерес із погляду перенесення частинок і тепла в граничній плазмі торсатрону, в дисертаційній роботі розглядаються такі основні питання: (1) електростатична турбулентність плазми поблизу межі зони утримання і її внесок у перенесення частинок у торсатроні У-3М; (2) характеристики дивертованої плазми в торсатроні У-3М та їх зв'язок із процесами, що відбуваються в об'ємі утримання.

Актуальність досліджуваних питань визначається тим, що, по-перше, У-3М є перспективною установкою, унікальною за своєю магнітною конфігурацією (тризахідний торсатрон), за способом створення і нагріву плазми (багатомодовий альфвенівський резонанс) і за конструкцією (уміщення всієї магнітної системи у велику вакуумну камеру). Ці особливості магнітної конфігурації і нагріву плазми в У-3М можуть зумовити нові властивості граничної електростатичної турбулентності в порівнянні зі спостережуваними в інших замкнутих магнітних пастках. З другого боку, важливим є з'ясування того, наскільки особливості турбулентності плазми і фізичні механізми, що лежать в її основі, є типовими для тороїдальних магнітних пасток з різними магнітними конфігураціями і способами створення й нагріву плазми. По-друге, в порівнянні з іншими установками з гвинтовим магнітним полем і природним гвинтовим дивертором (тризахідний торсатрон “Сатурн” в Харківському фізико-технічному інституті, двозахідний торсатрон АТF в Окриджській національній лабораторії в США, сімейство двозахідних геліотронів в Інституті нових видів енергії Університету Кіото в Японії і найбільша в даний час установка стелараторного типу двозахідний геліотрон LHD в Національному інституті термоядерних досліджень у м. Токі, Японія), на торсатроні У-3М до теперішнього часу проведені якнайповніші експериментальні дослідження диверторних властивостей геліотрону-торсатрону. В результаті цих досліджень підтверджено і в значній мірі пояснено одну із самих фундаментальних властивостей гвинтового дивертора - вертикальну асиметрію плазмового диверторного потоку, а також з'ясований її зв'язок із характеристиками плазми в об'ємі утримання. Тим самим зроблено істотний внесок у розуміння фізики перенесення частинок і тепла в замкнутих магнітних пастках. Отримані результати можуть бути використані при розробці методів нагріву плазми й проектуванні диверторних пристроїв для майбутніх установок УТС великих розмірів на основі геліотрону-торсатрону.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботи, за якими написана дисертація, виконувалися у відділі стелараторів Інституту фізики плазми Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” (ІФП ННЦ ХФТІ) протягом 1993-2002 рр. в рамках таких тем: “Дослідження перенесення частинок і енергії у розподіленому гвинтовому диверторі торсатрону” державний реєстраційний номер № 0194U025334 (1993-1995 рр.); “Вплив регулярних і турбулентних електромагнітних полів на процеси нагріву і перенесення частинок у неоднорідній магнітоактивній плазмі” державний реєстраційний номер № 0195U000239 (1994-1995 рр.); “Експериментальні та теоретичні дослідження фізичних процесів при створенні та нагріві плазми ВЧ засобом в торсатроні з дивертором “Ураган-3М” державний реєстраційний номер № 0100U002758 (1998-2000 рр.) і за “Програмою проведення фундаментальних досліджень по атомній науці і техніці Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” до 2005 р.” державний реєстраційний номер № 080901UP (2001-2002 рр.).

Мета й задачі досліджень. Метою досліджень є з'ясування фізичних процесів, які частково або повністю визначають перенесення заряджених частинок у граничній плазмі в умовах ВЧ створення й нагріву плазми в торсатроні. Конкретними задачами, описаних у дисертації досліджень, є: (1) знаходження основних характеристик дрібномасштабної низькочастотної електростатичної турбулентності поблизу межі зони утримання в торсатроні У-3М і оцінка внеску цієї турбулентності в перенесення частинок; (2) знаходження просторового розподілу плазмового потоку в диверторній зоні торсатрону У-3М і зв'язку цього розподілу з процесами, що відбуваються в об'ємі утримання під час нагріву плазми.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є процеси перенесення плазми в граничній плазмі тризахідного торсатрону У-3М.

Предмет дослідження - електростатична турбулентність плазми поблизу межі зони утримання і її внесок у перенесення частинок у торсатроні У-3М; характеристики дивертованої плазми в торсатроні У-3М та їх зв'язок із процесами, що відбуваються в об'ємі утримання.

Методи дослідження. Основними інструментами досліджень були ленгмюрівські зонди різної конструкції (системи з трьох або чотирьох поодиноких рухомих циліндрових зондів, набори плоских зондів), які розміщувалися поблизу межі зони утримання і в диверторній зоні. Крім того, для більш повного розуміння результатів зондових вимірювань притягувалися дані інших методів діагностики плазми (СВЧ, оптичних, магнітних, корпускулярних), а також дані теоретичних досліджень, отримані в інших групах ІФП.

Наукова новизна отриманих результатів. 1. Вперше отримані основні (просторові, часові і спектральні) характеристики флуктуацій густини і потенціалу плазми поблизу межі зони утримання, а також поперечного потоку частинок, обумовленого флуктуаціями, в тризахідному торсатроні в умовах оригінального методу створення й нагріву плазми (багатомодовий альфвенівський резонанс), що використовується на цій установці. Зокрема, показано переривчастий характер турбулентного потоку, тобто показано, що значна доля турбулентного потоку, до 70%, переноситься саме завдяки рідкісним короткочасним викидам плазми великої амплітуди. Підтверджена універсальність основних властивостей дрібномасштабної низькочастотної електростатичної турбулентності плазми в замкнутих магнітних пастках, незалежність цих властивостей від магнітної конфігурації й методів нагріву. Показано, що в У-3М перенесення частинок на межі зони утримання є аномально великим і може бути значною мірою пояснений саме низькочастотною електростатичною турбулентністю.

2. Установлена наявність сильної вертикальної асиметрії просторового розподілу потоку дивертованої плазми в тризахідному торсатроні. Уперше спостерігався ефект обертання напряму асиметрії при зміні напряму магнітного поля. Запропоновано пояснення асиметрії, пов'язуючи її з утратами швидких частинок. Справедливість цього пояснення підтверджена експериментально в дисертаційній роботі, а також теоретично М.С. Смирновою [4]. На підставі порівняння характеристик асиметрії в тризахідному торсатроні і двозахідному геліотроні зроблено висновок про універсальність цього ефекту для систем із гвинтовим магнітним полем.

Практичне значення отриманих результатів. Описані в дисертаційній роботі дослідження відносяться до категорії фундаментальних досліджень фізики утримання високотемпературної плазми в установках УТС. Результати цих досліджень вносять внесок у розуміння фізичних процесів, які розвиваються в граничній плазмі замкнутої магнітної пастки під час нагріву і роблять визначальний вплив на баланс частинок і енергії у цій пастці.

Результати, отримані при дослідженні електростатичної турбулентності на У-3М, зокрема, встановлення того факту, що, як мінімум, значна частина потоку частинок через межу зони утримання пов'язана з турбулентністю, підтверджують універсальність цього явища для замкнутих магнітних пасток. Спостереження переривчастого характеру турбулентності примушує переглянути традиційну методику, що застосовувалася до цих пір для оцінки спектральної функції потоку частинок. Встановлення того факту, що значний внесок у турбулентний потік частинок вносять рідкісні короткочасні викиди плазми великої амплітуди, призводить до висновку про необхідність подальшого вивчення природи уривчастості флуктуацій і врахування цього факту при розробці методів придушення турбулентності.

Існування сильної вертикальної асиметрії розподілу плазмового диверторного потоку, при якій потік частинок і тепла на окремі ділянки дивертора може багато разів перевищувати величину очікуваного середнього потоку, слід ураховувати при проектуванні диверторного пристрою для установок масштабу ITER на основі геліотрону-торсатрону. При проектуванні закритого гвинтового дивертора слід також ураховувати, що реальна ширина плазмового диверторного потоку багато разів перевищує ширину розрахункового магнітного диверторного каналу, на що вперше було звернуто увагу в дисертаційній роботі. Встановлена в дисертаційній роботі залежність вертикальної асиметрії диверторного потоку від наявності в утримуваній плазмі високоенергетичних частинок ставить питання про застосування більш ефективних засобів нагріву плазми і оптимізації утримання, які б не призводили до попадання значної частки швидких частинок у диверторну зону пастки.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів підтверджується відповідністю прийнятих допущень характеру розв'язуваних задач; адекватністю побудованої моделі, підтвердженою в ході експериментальних досліджень; забезпечується застосуванням відомих методик вимірювань; позитивними результатами апробації на наукових конференціях.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові публікації дисертанта, що містять результати цієї роботи, опубліковані ним у співавторстві. Автор брав участь у виконанні всіх експериментальних робіт, за якими написана дисертація, у складі наукової групи з трьох чоловік, яка проводила зондові вимірювання в граничній плазмі на торсатроні У-3М. Зокрема, він приймав участь в розробці, виготовленні й випробуванні всіх зондових пристроїв, які використовувалися в експериментах. Крім безпосередньої участі у вимірюваннях і зборі даних на У-3М, дисертантом було розроблено програмне забезпечення для обробки всіх одержуваних даних як по низькочастотній електростатичній турбулентності, так і по дивертованій плазмі з використанням сучасного електронного устаткування. Автор також брав участь в обговоренні і узагальненні отриманих результатів і в написанні й оформленні всіх статей і докладів, які лягли в основу дисертаційної роботи.

В роботі [1] здобувач досліджував залежність величини плазмового диверторного потоку від ВЧ потужності, випромінюваної антеною, і вперше звернув увагу на те, що потік росте з потужністю.

В роботі [2] здобувачем вимірювалася залежність величини густини плазми (іонного струму насичення) від відстані до межі зони утримання У-3М і отримані початкові дані для розрахунку потоку частинок через межу та відповідних коефіцієнтів дифузії. Ним вперше на торсатроні У-3М по амплітуді флуктуацій густини й потенціалу зроблена оцінка можливої величини потоку частинок плазми через межу, обумовленого флуктуаціями.

В роботі [3] здобувач установив нову апаратуру й освоїв досконалішу методику реєстрації флуктуаційних сигналів із ленгмюрівських зондів (багатоканальні швидкодіючі АЦП), визначив просторово-спектральні характеристики флуктуацій густини й потенціалу плазми для нового режиму роботи установки, а також уперше на У-3М провів дослідження просторово-часових характеристик флуктуацій з освоєнням нової методики їх математичної обробки. В результаті здобувач виявив у складі турбулентного потоку частинок в У-3М і проаналізував рідкісні, але сильні короткочасні викиди плазми.

В роботі [4] здобувач брав участь у проектуванні й виготовленні багатозондових наборів ленгмюрівських зондів для реєстрації потоку дивертованої плазми, установці цих наборів в У-3М і вимірюваннях розподілів диверторного потоку. Ним також була освоєна методика комп'ютерної обробки сигналів із зондів. В результаті на У-3М було знайдено вертикальну асиметрію диверторного потоку.

В роботі [5] здобувачем були проведені вимірювання розподілів струму на заземлені зонди в деяких зазорах між гвинтовими котушками в У-3М і надане тлумачення форми цих розподілів як вияви поляризації плазмового диверторного потоку, а також, як слідства втрат швидких електронів, їх виходу в один із диверторних каналів та захоплення між каналами.

В роботі [6] здобувачем були проведені вимірювання величини диверторного потоку в У-3М та ступеня його асиметрії при різних рівнях ВЧ потужності, та був побудований причинний зв'язок між процесами, що відбуваються в об'ємі утримання та в диверторній зоні під час нагріву.

В роботі [7] здобувачем був проведений комп'ютерний розрахунок залежності довжини з'єднання магнітних силових ліній на межі зони утримання в У-3М і визначено положення межі, були зміряні профілі середніх значень густини плазми, температури електронів і потенціалу поблизу межі і за цими даними обчислена густина поперечного потоку частинок. Були складені програми для спектральної обробки флуктуаційних сигналів та отримані спектри флуктуацій густини і потенціалу, дисперсійні характеристики флуктуацій (у тривимірному подаванні) і обчислена спектральна густина турбулентного потоку частинок. Претендент показав, що в умовах торсатрона У-3М повний потік частинок, оцінений за профілем густини плазми на межі зони утримання, і турбулентний потік порівняні за величиною.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що увійшли до дисертаційної роботи, докладалися на таких конференціях.

1. 23 Конференція Європейського фізичного суспільства по керованому синтезу й фізиці плазми (м. Київ, 1996 р., доклад представлявся дисертантом).

2. 24 Міжнародний конгрес з фізики плазми спільно з 25 Конференцією Європейського фізичного суспільства по керованому синтезу й фізиці плазми (м. Прага, Чехія, 1998 р.).

3. 6 Українська конференція по фізиці плазми і керованому синтезу (Алушта, 1998 р., доклад представлявся дисертантом).

4. VIII Українська конференція і школа по фізиці плазми і керованому синтезу (Алушта, 2000 р., доклад представлявся дисертантом).

5. 11 Міжнародна конференція Токі по фізиці плазми і керованому ядерному синтезу (ITC-11) (м. Токі, Японія, 2000 р.).

6. Нарада Технічного комітету МАГАТЕ по концепції дивертора (м. Экс-ан-Прованс, Франція, 2001 р.).

7. 12 Міжнародна конференція Токі по фізиці плазми і керованому ядерному синтезу (ITC-12), з'єднана з 3 Генеральною науковою асамблеєю Асоціації Азії по фізиці плазми (м. Токі, Японія, 2001 р.).

8. Міжнародна конференція й школа по фізиці плазми і керованому синтезу (м. Алушта, 2002 р., доклад представлявся дисертантом).

9. XXX Звенигородська конференція й школа по фізиці плазми і керованому синтезу (м. Звенигород, Росія, 2003 р.).

Публікації. В основу дисертації покладено 7 статей, які опубліковані в наукових журналах [1-6] і виданнях наукових праць конференцій [7].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків і списку літератури. Повний об'єм дисертації складає 135 сторінки і 45 малюнків, розміщених на цих сторінках. Список використаних літературних джерел налічує 89 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі формулюються основні питання, які з'явилися предметом дослідження в дисертації, підкреслюється актуальність цих питань для проблеми УТС і відзначається зв'язок дисертаційної роботи з тематикою досліджень, що проводяться в ІФП ННЦ ХФТІ. Крім того, позначаються наукова новизна отриманих результатів і їх практичне значення.

У першому розділі міститься короткий огляд виконаних раніше робіт, які мають відношення до теми дисертаційної роботи. Відповідно до того, що в дисертації розглядаються дві групи явищ, пов'язаних із процесами перенесення частинок і тепла в периферійних зонах торсатрона, розділ 1 складається з двох підрозділів. В першому підрозділі поміщається огляд робіт по низькочастотній електростатичній турбулентності плазми поблизу межі зони утримання в токамаках і установках стелараторного типу й впливу цієї турбулентності на перенесення частинок. Другий підрозділ розділу 1 містить огляд робіт по дослідженню диверторних властивостей торсатрона-геліотрона.

Розділ другий містить опис досліджень низькочастотної дрібномасштабної електростатичної турбулентності в граничній плазмі торсатрона У-3М і аналіз результатів цих досліджень. Викладу основного матеріалу глави передує загальний опис установки У-3М, режиму її роботи і методів діагностики плазми, що є необхідним для розуміння матеріалів, викладених як у розділі 2, так і в розділі 3.

Установка У-3М є тризахідний (l = 3) торсатрон із дев'ятьма періодами (m = 9) гвинтового магнітного поля (рис. 1). Великий радіус тора R_о = 1 м, середній радіус утримуваної плазми 0,1 м.

Особливістю конструкції установки є приміщення всієї магнітної системи (котушки гвинтового й вертикального магнітного полів і їх підтримуюча конструкція) у велику вакуумну камеру діаметром 5 м і заввишки 4 м. Внутрішній і зовнішній радіуси кожухів гвинтових котушок рівні відповідно 0,19 і 0,34 м. Дослідження, що описуються в дисертації, проводилися при двох значеннях напруженості тороїдального магнітного поля B = 0,45 Т і 0,72 Т. Кут обертального перетворення на межі зони утримання був рівний ()/2 0,4. Магнітна вісь була зміщена назовні по відношенню до малої геометричної осі тора на 3-5 см.

Воднева плазма створювалася і нагрівалася за допомогою ВЧ полів у режимі багатомодового альфвенівського резонансу ( _ci). ВЧ потужність до 240 кВт в імпульсі тривалістю до 60 мс уводилася в плазму за допомогою так званої рамкової антени. Максимальні значення середньої густини електронів плазми, і температури електронів і іонів складали відповідно ~ 10¹⁹ м^-3, T_e(0) 0,5 кеВ і T_i 0,1 кеВ.

Для вимірювання середніх і флуктуаційних параметрів плазми поблизу межі зони утримання використовувалися рухомі одиночні ленгмюрівські зонди, які об'єднувалися в набори з трьох або чотирьох зондів із певною орієнтацією в просторі.

Однією з головних задач дослідження електростатичної турбулентності було з'ясування її внеску в перенесення частинок на межі зони утримання в У-3М. Для цього заздалегідь у двох полоїдальних перетинах тора були зміряні радіальні профілі іонного струму насичення і по довжині спаду струму були зроблені оцінки величини повного поперечного потоку частинок через межу і відповідного коефіцієнта дифузії D. Так само, як і в токамаках і інших, відмінних від У-3М, установках стелараторного типу, отримані значення і D виявилися аномально великими, на три порядки перевищуючи “класичні” значення. Надалі, в припущенні, що істотний внесок в аномальне перенесення вносить електростатична турбулентність, були проведені детальні дослідження флуктуацій густини плазми й електричного поля поблизу межі зони утримання. Ці дослідження були направлені на отримання характеристик турбулентності (спектральних і статистичних) і мали на своїй кінцевій меті визначення величини й основних характеристик потоку частинок, обумовленого турбулентністю. Був підтверджений ефект обертання полоїдальної фазової швидкості флуктуацій поблизу шира радіального електричного поля і була обчислена спектральна функція турбулентного потоку частинок (рис. 2). Повна величина цього потоку виявилася порівняною з повним потоком через межу, що оцінювався по довжині спаду густини (іонного струму насичення). Тим самим, і для торсатрона У-3М підтвердилося припущення про істотний внесок електростатичної турбулентності в аномальні втрати плазми на межі зони утримання.

При розгляді статистичних характеристик часової функції турбулентного потоку було знайдено, що так само, як і у ряді інших замкнутих магнітних пасток, ця функція носить явно виразний переривчастий характер, при якому значна доля переносимих частинок ( 50%) міститься в рідкісних короткочасних викидах (рис. 3). Амплітуда цих викидів може на порядок перевищувати середнє значення флуктуацій потоку. (Докладний аналіз функції розподілу вірогідності флуктуацій густини й потенціалу в граничній плазмі торсатрона У-3М був зроблений В.Ю. Гончаром та А.В. Чечкіним, див. Физика плазмы.- 2003.- 29, №5.- С. 413).

Було показано, що як середній рівень флуктуацій турбулентного потоку, так і його частина, що міститься в рідкісних короткочасних викидах, є швидко убуваючими функціями відстані від межі зони утримання. Практично турбулентний поперечний потік не виходить за межі зони стохастичних магнітних силових ліній. Це означає, що в процесі турбулентного перенесення всі частки зрештою виносяться уздовж відкритих силових ліній у диверторну зону.

Розділ третій присвячується дослідженням потоків дивертованої плазми в торсатроні У-3М, їх структури й зв'язку з нагрівом плазми в об'ємі утримання. Для вимірювання параметрів плазми в диверторній зоні використовувалися 78 плоских ленгмюрівських зондів площею 1,250,8 см² кожний. Ці зонди були згруповані в 6 наборів, які були виставлені в полоїдальному напрямі в зазорах між гвинтовими котушками у двох сусідніх симетричних полоїдальних перетинах тора А-А і D-D (рис. 4). Малий радіус r = 0,27 м, на якому були виставлені зонди, перевищував радіус Х-точки диверторної конфігурації. У припущенні, що плазмовий диверторний потік є амбіполярним (тобто поступає на ізольовану приймальну пластину), як міра плазмового потоку, що поступає на зонд, брався іонний струм насичення I_s.

Полоїдальні розподіли плазмового диверторного потоку у верхніх і нижніх зазорах між гвинтовими котушками відрізнялися сильною вертикальною асиметрією (рис. 5), не зважаючи на геометричну симетрію розрахункових магнітних диверторних каналів (рис. 4). При цій асиметрії максимальні значення потоку вгорі й унизу могли розрізнятися до 10 разів.

При будь-якому напрямі тороїдального магнітного поля більший плазмовий потік завжди виходив на стороні іонного тороїдального дрейфу BB. В цих же умовах електричний струм на заземлений зонд (струм на зонд при нульовому зсуві, плазмовий струм) I_р міг бути або позитивним, або негативним, свідчивши про неамбіполярність плазмового потоку, що поступає на заземлену приймальну пластину (або на стінку вакуумної камери). При цьому із двох симетрично розташованих плазмових потоків у верхній і нижній частині тора більшому диверторному потоку завжди відповідав струм I_р із надміром іонів (I_р > 0), а меншому - із надміром електронів (I_р < 0). Тим самим підтверджувалася визначальна роль іонів у формуванні вертикальної асиметрії.

На підставі отриманих даних було зроблено припущення, що істотний внесок у вертикальну асиметрію розподілу плазмового диверторного потоку вносять швидкі іони, які захоплюються в ями неоднорідностей магнітного поля і, не “відчуваючи” обертального перетворення, йдуть з об'єму утримання унаслідок тороїдального дрейфу подібно тому, що має місце в токамаці з гофрованим тороїдальним магнітним полем. Справедливість цього припущення в першу чергу була підтверджена якісно результатами чисельного моделювання прямих (недифузійних) втрат іонів в У-3М, яке було проведене М.С. Смирновою.

Експериментальним підтвердженням припущеного механізму формування асиметрії верх-низ диверторного потоку в дисертації служать результати дослідження впливу нагріву плазми на величину диверторного потоку і його асиметрію.

Нагрів плазми в У-3М відрізнявся наступними особливостями, що могли мати істотний вплив на величину плазмового диверторного потоку та його вертикальну асиметрію.

1. При безперервному фіксованому напуску робочого газу у вакуумну камеру із збільшенням потужності нагріву знижувався рівень квазістаціонарної середньої густини електронів, яка встановлювалася після включення ВЧ імпульсу. Це свідчить про зростання втрат частинок плазми з нагрівом.

2. Функція розподілу іонів по енергіях (вимірювання були виконані А.С. Славним) істотно відрізнялася від рівноважної, маючи поволі спадаючий високоенергетичний “хвіст”. За нахилом функції розподілу в “хвості” швидким іонам можна було приписати температуру 300-900 еВ при температурі основної частини іонів <100 еВ. Із збільшенням потужності нагріву відносний зміст високо-енергетичних іонів зростав, причому тим швидше, ніж вище енергія іонів, що розглядається. В той же час відносний зміст теплових іонів практично не мінявся із зростанням потужності нагріву. При максимальній ВЧ потужності 240 кВт, що поглинається, частка високоенергетичних іонів у “хвості” розподілу по енергіях доходила до ~ 20% від повного числа іонів, а енергія, що міститься в “хвості”, могла складати порядка 60% від повної енергії іонів.

При збільшенні потужності нагріву спостерігалося зростання повного диверторного плазмового потоку у верхньому й нижньому зазорах між гвинтовими котушками в обох полоїдальних перетинах A-A і D-D. При цьому переважаюче зростання потоку мало місце на стороні іонного дрейфу BB (рис. 6). Це означає, що із зростанням потужності нагріву ступінь вертикальної асиметрії диверторного потоку зростав. З урахуванням відзначених вище особливостей нагріву плазми в У-3М, збільшення повного диверторного потоку й ступені його асиметрії з нагрівом якісно узгоджується з припущеним механізмом формування асиметрії. Насправді, в розрядах із малою потужністю нагріву і відповідно великою густиною плазми (малі значення параметра нагріву P/, низька температура основної плазми) відносний зміст швидких іонів малий, а їх відхід з об'єму утримання під впливом дрейфу ВВ є обмежений унаслідок великої частоти зіткнень. Тому в розрядах із малими P/ асиметрія диверторного потоку мала (чорні кружки на рис. 6). При зростанні потужності нагріву, з одного боку, ростуть як температура основної групи іонів, так і відносний зміст високоенергетичних іонів. З другого боку, зменшується квазірівноважна густина (параметр P/ зростає - світлі кружки на рис. 6).

Теоретично це повинно викликати зсув режиму дифузії частинок у бік зони більш рідкісних зіткнень. В установках стелараторного типу з _t > _h (_t і _h - відповідно тороїдальна і гвинтова неоднорідності магнітного поля), як у разі торсатрона У-3М, такий зсув на певному етапі приведе до зростання коефіцієнтів перенесення. Крім того, також росте і відносний внесок швидких іонів в загальні втрати частинок. Природно чекати, що зростання дифузійних втрат приведе до збільшення плазмового диверторного потоку як у верхній, так і в нижній половинах тора без зміни характеру симетрії потоку. В той же час збільшення з потужністю високоенергетичної складової спектру енергій іонів в плазмі приводить до зростання конвективних втрат швидких іонів. Саме з останніми втратами може бути зв'язане спостережуване переважаюче зростання з потужністю нагріву потоку дивертованої плазми у напрямі іонного дрейфу BB і відповідне збільшення показника асиметрії верх-низ.

При дослідженні просторових розподілів струму на заземлений зонд у диверторній зоні був знайдений великий негативний струм I_р, тобто надлишок електронів, в диверторному потоці на стороні електронного тороїдального дрейфу в зовнішньому зазорі між гвинтовими котушками в перетині D-D. Існування цього струму якісно узгоджується з особливостями отриманого М.С. Смирновою розрахункового розподілу втрат швидких електронів по кутах у просторі координат і швидкостей [4].

Крім того, була знайдена електрична поляризація плазмового диверторного потоку при його проходженні в просторі за Х-точкою. Можливими причинами цього ефекту є відцентровий і градієнтний дрейфи електронів і іонів плазмового потоку при їх русі уздовж викривлених магнітних силових ліній диверторно-го каналу. Також знайдено, що в зовнішньому зазорі перетину D-D у просторі між диверторними каналами (так звана внутрішня зона дивертора) при великій потужності нагріву реєструється значний негативний струм на заземлені зонди. Напрям цього струму не залежить від напряму магнітного поля. Цей ефект можна пояснити накопиченням (захопленням) швидких електронів, які втрачаються з об'єму утримання, в зоні зниженого магнітного поля між симетричними плечима дивертора за Х-точкою.

Третій розділ завершується порівнянням даних про вертикальну асиметрію диверторного потоку в У-3М і двозахідному геліотроні “Heliotron E”, в якому для нагріву плазми використовувалися електронний циклотронний нагрів і інжекція нейтрального пучка як окремо, так і спільно. Основні характеристики асиметрії (переважаючий вихід диверторного потоку у бік тороїдального дрейфу іонів, зростання ступеня асиметрії з потужністю нагріву) виявляються схожими в У-3М і H-E, не дивлячись на істотні відмінності цих установок за магнітною конфігурацією, способам нагріву плазми і її параметрам. Це свідчить про універсальність ефекту вертикальної асиметрії диверторного потоку для систем із гвинтовим магнітним полем.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розглянуто дві групи питань, що мають відношення до проблеми перенесення частинок і тепла на межі зони утримання в замкнутій магнітній пастці - тризахідному торсатроні:

(1) електростатична турбулентність плазми поблизу межі зони утримання і її внесок в перенесення частинок у торсатроні У-3М;

(2) просторовий розподіл потоку плазми, що виноситься в диверторну зону торсатрона У-3М, і зв'язок цього розподілу з процесами, що відбуваються в об'ємі утримання.

Основні результати проведених досліджень можна сформулювати таким чином.

1. В умовах ВЧ нагріву плазми в торсатроні У-3М були отримані спектральні характеристики флуктуацій густини й потенціалу плазми поблизу межі зони утримання. Показано існування ефекту перевертання напрямку полоїдальної фазової швидкості флуктуацій в околиці шира радіального електричного поля.

2. Була обчислена спектральна функція турбулентного потоку частинок через межу зони утримання і показано, що повна величина цього потоку порівняна з повним потоком заряджених частинок через межу, оціненим по довжині спаду густини плазми. Тим самим підтверджується припущення про істотний внесок електростатичної турбулентності в аномальні втрати плазми на межі зони утримання.

3. Були розглянуті статистичні характеристики часової функції турбулентного потоку частинок поблизу межі зони утримання. Знайдено переривчастий характер цієї функції, при якому значна доля частинок ( 50%) переноситься у вигляді рідкісних короткочасних викидів, амплітуда яких може на порядок перевищувати середній рівень флуктуацій потоку.

4. В умовах ВЧ нагріву плазми в торсатроні У-3М зміряні полоїдальні розподіли потоку дивертованої плазми у двох сусідніх симетричних полоїдальних перетинах тора і встановлено, що має місце сильна вертикальна асиметрія цього розподілу. Головними характеристиками асиметрії є: 1) переважаючий вихід дивертованої плазми у напрямі тороїдального дрейфу іонів BB (ця закономірність вперше перевірена для обох напрямів тороїдального магнітного поля); 2) відповідність більшому з двох симетрично розташованих амбіполярних диверторних потоків неамбіполярного потоку з переважанням іонів і меншому амбіполярному потоку - неамбіполярного потоку з переважанням електронів.

5. Було показано, що величина повного плазмового диверторного потоку росте з потужністю нагріву. Проте зростання потоку на боці тороїдального дрейфу іонів випереджає зростання на боці електронного дрейфу. Тому вертикальна асиметрія потоку росте із збільшенням потужності.

6. Відзначені в пп. 4,5 характеристики асиметрії диверторного потоку дозволяють припустити, що ця асиметрія обумовлена втратами швидких іонів плазми, які захоплюються в ямах неоднорідностей магнітного поля. Справедливість цього припущення підтверджується, з одного боку, чисельним моделюванням втрат швидких частинок в торсатроні У-3М (обчислення виконані М.С. Смирновою), а з другого боку, наявністю кореляції між кількістю швидких іонів в об'ємі утримання і ступенем асиметрії диверторного потоку при зміні потужності нагріву.

7. Уперше встановлена електрична поляризація плазмового диверторного потоку в просторі за Х-точкою. Можливими причинами цього ефекту є відцентровий і градієнтний дрейфи електронів і іонів потоку при їх русі уздовж викривлених магнітних силових ліній диверторного каналу.

8. При великій потужності нагріву плазми в У-3М спостерігається значний іонний струм насичення на ленгмюрівські зонди, розташовані у внутрішній зоні дивертора (тобто в просторі між магнітними диверторними каналами) на зовнішньому боці тора. Цьому струму відповідають негативні плаваючий потенціал і струм на заземлений зонд незалежно від напряму магнітного поля. Ці ефекти можна пояснити накопиченням (захопленням) високоенергетичних електронів, що втрачаються з об'єму утримання, в просторі між симетричними магнітними каналами дивертора на зовнішньому боці тора.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Bykov V.Ye., Chechkin V.V., Fomin I.P., Grigor'eva L.I., Khodyachikh A.V., Nazarov N.I., Pavlichenko R.O., Peletminskaya V.G., Plyusnin V.V., Skibenko A.I., Sorokovoj E.L., Vojtsenya V.S. and Volkov E.D. Divertor studies in the l = 3 URAGAN-3M torsatron // Plasma Phys. Control. Fusion.- 1995.- 37.- P.271-283.

2. Сhechkin V.V., Fomin I.P., Grigor'eva L.I., Litvinov A.P., Nazarov N.I., Pankratov I.M., Pavlichenko R.O., Plysnin V.V., Skibenko A.I., Sorokovoj E.L., Shtan' A.F., Trofimenko E.V., Volkov E.D. Density behaviour and particle losses in RF discharge plasmas of the URAGAN-3M torsatron // Nucl. Fusion.- 1996.- 36.- P.133- 145.

3. Sorokovoy E.L., Chechkin V.V., Grigor'eva L.I., Chechkin A.V., Gonchar V.Yu., Volkov E.D., Nazarov N.I., Tsybenko S.A., Litvinov A.P., Kulaga A.Ye., Mironov Yu.K., Romanov V.S., Masuzaki S., Yamazaki K. Density and potential fluctuations in the edge plasma of the Uragan-3M torsatron // ВАНТ (Вопросы атомной науки и техники), Серия “Физика плазмы” (8).- 2002.- №5.- С.6-8.

4. Chechkin V.V., Grigor'eva L.I., Smirnova M.S., Sorokovoj E.L., Volkov E.D., Rudakov V.A., Rubtsov K.S., Nazarov N.I., Lozin A.V., Tsybenko S.A., Litvinov A.P., Slavnyj A.S., Adamov I.Yu., Kulaga A.Ye., Mironov Yu.K., Kotsubanov V.D., Nikol'skij I.K., Mizuuchi T., Masuzaki S., Morisaki T., Ohyabu N., Yamazaki K. Plasma flow asymmetries in the natural helical divertor of an l = 3 torsatron and their relation to particle losses // Nucl. Fusion.- 2002.- 42.- P.192-201.

5. Volkov Ye., Chechkin V., Grigor'eva L., Smirnova M., Sorokovoy E., Nazarov N., Lozin A., Tsybenko S., Litvinov A., Slavnyj A., Adamov I., Kulaga A., Mironov Yu., Mizuuchi T., Masuzaki S., Yamazaki K. Fine structure of divertor flow distribution in the l = 3 Uragan-3M torsatron // J. Plasma Fusion Res. SERIES.- 2002.- 5.- P.404-408.

6. Chechkin V.V., Grigor'eva L.I., Sorokovoy E.L., Smirnova M.S., Slavnyj A.S., Volkov E.D., Nazarov N.I., Tsybenko S.A., Lozin A.V., Litvinov A.P., Konovalov V.G., Bondarenko V.N., Kulaga A.Ye., Mironov Yu.K., Masuzaki S., Yamazaki K. Effects of plasma heating on the magnitude and distribution of plasma flows in the helical divertor of the Uragan-3M torsatron // ВАНТ (Вопросы атомной науки и техники), Серия “Физика плазмы” (7).- 2002.- №.4.- С.48-50.

7. Sorokovoj E.L., Bondarenko S.P., Chechkin A.V., Chechkin V.V., Grigor'eva L.I., Nazarov N.I., Pinos I.B., Plyusnin V.V., Rubtsov K.S., Rudakov V.A., Volkov E.D. Electrostatic fluctuations and their contribution to particle losses at the plasma boundary in the U-3M torsatron // Controlled Fusion and Plasma Physics (Proc. 23 EPS Conf. Kiev, 1996).- Geneva: EPS, 1996, V.20C,Part II, P.523-526.

АНОТАЦІЇ

Сороковий Е.Л. Процеси перенесення в граничній плазмі торсатрона “Ураган-3М”.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразина, Харків, 2003.

Були вивчені фізичні процеси, що відповідають за перенесення плазми поблизу межі зони утримання і в диверторній зоні торсатрона “Ураган-3М”. Поблизу межі поперечне перенесення частинок у значній мірі зумовлене дрібномасштабними низькочастотними флуктуаціями густини плазми та електричного поля. Значна частина від повного турбулентного потоку частинок міститься в рідкісних короткочасових викидах великої амплітуди. Практично вся плазма, що переноситься за рахунок турбулентності, потрапляє в диверторну зону. Просторовий розподіл плазмового потоку в цій зоні відрізняється сильною асиметрією верх-низ, при якій більший амбіполярний потік знаходиться на боці іонного тороїдального дрейфу при будь-якому напрямі магнітного поля, а у відповідному неамбіполярному потоці переважають іони. На підставі цього припускається, що асиметрія пов'язана з конвективними втратами швидких іонів, які захоплюються на неоднорідностях магнітного поля. Експериментально справедливість цього припущення була підтверджена наявністю кореляції при зміні потужності нагріву плазми між змінами густини плазми та змісту швидких іонів в об'ємі утримання, з одного боку, і величини диверторного потоку та ступеня його вертикальної асиметрії, з другого.

Ключові слова: торсатрон, гранична плазма, SOL, флуктуації, турбулентність, перенесення, гвинтовий дивертор, тороїдальний дрейф, швидкі іони, диверторний потік, асиметрія верх-низ.

Sorokovoy E.L. Transport processes in the boundary plasma of the Uragan-3M torsatron.- Manuscript.

Thesis for the scientific degree of Candidat of Science in Physics and Mathematics by speciality 01.04.08, Plasma Physics.- Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2003

Physical processes have been studied, which are responsible for plasma transport near the boundary of the confinement region and in the divertor region of the Uragan-3M torsatron. Near the boundary, the perpendicular particle transport is largely caused by small-scale low-frequency fluctuations of plasma density and electric field. A considerable part of the total turbulent particle flux is contained in rare short bursts of large amplitude. Practically all the plasma, which is transported for the account of turbulence, eventually outflows into the divertor region. The spatial distribution of plasma flow in this region is distinguished with a strong up-down asymmetry, where the larger ambipolar flow occurs on the ion toroidal drift side with any magnetic field direction, and the ions dominate in the corresponding non-ambipolar flow. On this basis, it supposed that the asymmetry is related to convective loss of fast ions, which are trapped into magnetic field non-uniformities. Experimentally, this hypothesis has been validated by a correlation between changes in plasma density and fast ion content, on the one hand, and divertor flow magnitude and the degree of its asymmetry, on the other hand, when the heating power was changed.

Key words: torsatron; boundary plasma; SOL; fluctuations; turbulence; transport; helical divertor; toroidal drift; fast ions; divertor flow; up-down asymmetry.

Сороковой Э.Л. Процессы переноса в граничной плазме торсатрона “Ураган-3М”.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы.- Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2003.

Экспериментально исследованы физические процессы, ответственные за перенос плазмы, в двух областях граничной плазмы замкнутой магнитной ловушки - торсатрона “Ураган-3М” (У-3М) - а именно, непосредственно вблизи границы области удержания и в диверторной области. Плазма создавалась и нагревалась ВЧ методом. Вблизи границы исследована мелкомасштабная низкочастотная электростатическая турбулентность. С помощью подвижных ленгмюровских зондов получены спектральные, дисперсионные, пространственные и временные характеристики флуктуаций плотности и потенциала плазмы. По спектральным и дисперсионным характеристикам вычислена спектральная плотность поперечного потока частиц, а также полный (проинтегрированный по всем частотам) поток, обусловленный флуктуациями, и показано, что его величина сравнима с полным потоком частиц, оцененным по величине и длине спада ионного тока насыщения на границе. При исследовании временной функции турбулентного потока показано, что значительная доля его (до 70%) содержится в редких кратковременных выбросах большой амплитуды. Также показано, что вся плазма, переносимая за счет турбулентности, попадает в диверторную область.

С помощью многозондовых наборов ленгмюровских зондов исследовано пространственное распределение плазменного потока в диверторной области У-3М. Показано, что это распределение отличается сильной вертикальной асимметрией, при которой больший амбиполярный поток находится на стороне ионного тороидального дрейфа при любом направлении тороидального магнитного поля, а в соответствующем неамбиполярном потоке преобладают ионы. На основании этого сделано предположение, что асимметрия связана с конвективными потерями быстрых ионов, запирающихся на неоднородностях магнитного поля. Экспериментально справедливость этого предположения подтверждена выявленной при изменении мощности нагрева плазмы корреляцией между изменениями плотности плазмы и содержания быстрых ионов в объеме удержания, с одной стороны, и величиной диверторного потока и степенью его вертикальной асимметрии, с другой. Тем самым установлена связь между величиной и пространственным распределением плазменного потока, переносимого в диверторную область граничной плазмы и процессами, протекающими в объеме удержания.

Ключевые слова: торсатрон, граничная плазма, SOL, флуктуации, турбулентность, перенос, винтовой дивертор, тороидальный дрейф, быстрые ионы, диверторный поток, асимметрия верх-низ.

Размещено на Allbest.ru