Разработка и применение метода исследования изотопного состава высокотемпературной водородной плазмы по потокам выходящих атомов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Миронов, Максим Игоревич

• Миронов, Максим Игоревич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Миронов, Максим Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ИЗОТОПНОГО СООТНОШЕНИЯ В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКОВ.

1.1. Спектроскопия Ha/Da/Ta-линий изотопов водорода.

1.2. Спектрометрия d-d и d-t термоядерных нейтронов.

1.3. Диагностика коллективного томсоновского рассеяния.

1.4. Ион-ионная рефлектометрия.

1.5. Диагностика по потокам нейтральных частиц.

ГЛАВА II. АНАЛИЗАТОР НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ISEP.

2.1. Отличительные особенности анализатора ISEP.

2.2. Конструкция и принцип работы анализатора.

2.3. Численное моделирование параметров анализатора.

2.4. Проверка основных характеристик прибора в калибровочных экспериментах.

2.4.1. Испытание ускорительного узла.

2.4.2. Проверка магнитных и электрических свойств диспергирующей системы.

2.4.3. Измерение параметров детекторов и их чувствительности к нейтронному и гамма излучениям.

2.4.4. Энергетические настройки анализатора и эффективность регистрации атомов.

ГЛАВА III. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ АТОМОВ

ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В ТЕПЛОВОЙ ОБЛАСТИ ЭНЕРГИЙ.„

3.1. Механизмы образования потоков нейтральных частиц.

3.1.1. Образование «пассивных» потоков атомов перезарядки.

3.1.2. Образование «активных» потоков атомов перезарядки.

3.2. DOUBLE-MC - программа моделирования тепловых потоков методом Монте-Карло.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ АНАЛИЗАТОРА ISEP НА УСТАНОВКЕ ШТ(ВЕЛИКОБРИТАНИЯ).

4.1. Измерение изотопного соотношения.

4.1.1. Омический режим плазмы.

4.1.2. Плазма в режиме дополнительного нагрева с помощью инжекции мощного нейтрального пучка.

4.2. Энергетические спектры изотопов водорода при ионно-циклотронном нагреве плазмы.

4.3. Изучение переноса трития в экспериментах с напуском тритиевого газа в дейтериевую плазму.

4.3.1. Отличительные особенности экспериментов по напуску трития в дейтериевую плазму.

4.3.2. Поведение нейтральных потоков при газонапуске. Обнаружение эффекта увеличения времени нарастания потоков атомов трития с ростом их энергии.

4.3.3. Интерпретация и численное моделирование обнаруженного эффекта. Определение транспортных коэффициентов трития.

ГЛАВА V. Перспективы диагностики по потокам атомов перезарядки для определения изотопного состава топлива в термоядерных реакторах-токамаках.

5.1. Численное моделирование тепловых спектров атомов изотопов водорода в экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР.

5.2. Каким может стать прибор для управления изотопным составом топлива в промышленном реакторе DEMO.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение метода исследования изотопного состава высокотемпературной водородной плазмы по потокам выходящих атомов»

В настоящее время исследования в области управляемого термоядерного синтеза вплотную подошли к этапу создания термоядерных установок с положительным выходом энергии. В настоящее время усилиями нескольких стран, в том числе и Российской Федерацией, начато строительство крупнейшего в мире токамака - первого международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР [1]. Эта установка должна продемонстрировать технологическую возможность производства термоядерной энергии в промышленных масштабах.

В качестве термоядерного топлива в реакторе ИТЭР будет использоваться двухкомпонентная смесь равных долей дейтерия и трития. Удельная мощность Q выделяемой термоядерной онергни в установке, работающей на двухкомпонентном топливе, пропорциональна произведению концентраций обоих ионов:

Q~ndnt<ov>(T) (А.1) где rid - плотность дейтерия, nt — плотность трития, a <ov> - скорость реакции термоядерного синтеза d-t в плазме с температурой Т. Если ввести величину изотопного соотношения плазмы x=nc/nt и рассматривать плазму без дополнительных примесей, то выражение для Q можно переписать следующим образом

О ~ 4х/(1 +х)2 (nJ2)2 < av>(T) ■ (А.2) из чего видно, что в двухкомпонентной плазме количество выделяемой энергии зависит не только от плотности и температуры плазмы, но и от ее изотопного состава. Причем в области максимальных значений Q, достигаемых при равном количестве дейтерия и трития, зависимость от состава топлива достаточно слабая, так как изменение Q, связанное с небольшим уменьшением плотности одного компонента практически компенсируется увеличением плотности другого. Это осложняет процесс управления плазменным разрядом. Предположим, что по какой-либо причине концентрация дейтерия начала j расти. Если она превысит концентрацию трития в полтора раза, то выделяемая мощность уменьшится всего на 4%. Столь малую величину снижения мощности достаточно сложно связать с изменением состава топлива на фоне других факторов, сильнее влияющих на выделяемую мощность, например флюктуации температуры плазмы. В результате в плазме может возникнуть заметный дисбаланс топливного состава, дальнейшее усиление которого приведет к уже значительному уменьшению мощности реактора. Так как время коррекции флюктуаций плотности достаточно велико и для центральной зоны плазмы может составлять несколько секунд, для предотвращения возникновения критической ситуации крайне важно осуществлять заблаговременные измерение и контроль топливного состава плазмы. Поэтому наряду с измерением других базовых параметров плазмы, измерение изотопного соотношения внесено в список приоритетных диагностических задач для ИТЭР [2]. Кроме контроля состава топлива измерение изотопного соотношения актуально также и для других задач. Например, для контроля плотности малой добавки изотопов водорода при ионно-циклотронном нагреве, который будет использоваться в ИТЭРе, в частности, для формирования и поддержания режимов с улучшенным удержанием плазмы.

Существует целый ряд диагностических методов измерения изотопного соотношения в плазме. Одной из первых для этой цели была применена корпускулярная диагностика, или диагностика по потокам атомов перезарядки [3]. Она стала стандартным инструментом для измерения и контроля изотопного состава на плазменных установках [4] и в данный момент рассматривается как основной кандидат для контроля состава плазмы в ИТЭРе. Однако для успешного применения корпускулярной диагностики на токамаке-реакторе требуются дальнейшие усилия по развитию ее возможностей, так как условия измерения на ИТЭРе будут сильно отличаться от условий на исследовательских установках, в первую очередь из-за существенно более высокого уровня нейтронного и гамма- излучений. Развитию возможностей диагностики и посвящена данная работа, целью которой являлось создание атомного анализатора, позволяющего проводить одновременные измерения энергетических спектров всех трех изотопов водорода и способного работать в условиях интенсивного нейтронного и гамма- излучений, использование этого прибора в плазменных экспериментах для совершенствования корпускулярного метода диагностики изотопного состава плазмы и оценка перспективности метода для изучения изотопного состава в будущих термоядерных реакторах.

Основные результаты были получены в период с 2000 по 2010 г.г. и изложены в работах [17,19,37,51,52,53,54,57,58,59,61]. В течение этого времени в ФТИ им.А.Ф.Иоффе был разработан анализатор нейтральных частиц Ion SEParator (ISEP) и проведена его абсолютная калибровка на испытательном стенде в лаборатории процессов атомных столкновений. Прибор был установлен на токамаке JET (Великобритания), где с его помощью была проведена серия плазменных экспериментов.

Диссертационная работа состоит из пяти глав, введения и заключения.

В первой главе дан краткий обзор современных диагностик изотопного состава плазмы, изложены их физические принципы, описаны варианты их технической реализации, а также описаны их достоинства и недостатки.

Во второй главе описаны конструкция и принцип работы анализатора атомных частиц ISEP, описан процесс его калибровки и приведены полученные результаты.

Третья глава посвящена численному моделированию потоков атомов перезарядки из плазмы современных токамаков. Изложены подробности механизма нейтрализации частиц и образования нейтрализационной мишени, на которой происходит перезарядка частиц. Дано описание программного кода, который учитывает особенности нейтрализации и позволяет моделировать тепловые потоки атомов испускаемых плазмой, что дает возможность определять по ним физические характеристики ионного компонента плазмы.

В четвертой глава изложены результаты экспериментов, проведенных на установке JET с применением анализатора ISEP. Приведены результаты по измерению изотопного состава в различных режимах плазмы, продемонстрированы возможности корпускулярного метода по изучению переноса ионов в экспериментах по напуску небольшого количества тритиевого газа в дейтериевую плазму.

Пятая глава посвящена оценке перспективности применения корпускулярного метода для измерения изотопного соотношения термоядерного топлива в токамаке-реакторе ИТЭР. Приведены расчеты величины ожидаемого сигнала. Также предложен вариант анализатора-монитора, предназначенного для измерения и контроля изотопного состава на промышленном термоядерном реакторе DEMO.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Миронов, Максим Игоревич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбор d-t реакции как основного источника энергии в планируемых и строящихся термоядерных установках привел к необходимости измерения изотопного состава плазмы в жестких радиационных условиях, сопровождающих работу термоядерной машины. Диагностика по потокам атомов перезарядки давно зарекомендовала себя как надежный метод измерения изотопного соотношения водородной плазмы в существующих плазменных экспериментах. Однако применение диагностики на термоядерной плазме требует ее дальнейшего совершенствования. Данная диссертация представляет собой часть этой работы и отражает все этапы ее развития: разработку и калибровку аппаратуры, развитие средств обработки и интерпретации результатов измерений, применение диагностики в плазменных экспериментах и оценку ее перспектив в будущих термоядерных машинах. Достигнутые результаты позволяют рассматривать диагностику по потокам атомов перезарядки в качестве одного из основных кандидатов для измерения изотопного состава в будущих термоядерных реакторах и, в первую очередь, в ИТЭРе.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Проведены разработка и абсолютная калибровка атомного анализатора ISEP, предназначенного для одновременного измерения потоков и энергетических спектров атомов Н, D, Т в диапазоне энергий 5 — 700 кэВ. Достигнутые параметры прибора обеспечивают измерение изотопного соотношения плазмы с точностью не хуже 1% в условиях радиационного фона

Q О до 10 нейтронов/см /с.

2. Создана программа численного моделирования на основе метода Монте-Карло (DOUBLE-MC), позволяющая восстанавливать изотопное соотношение ионов по потокам атомов перезарядки в многокомпонентной (Н, D, Т, Не) плазме.

3. С помощью анализатора ISEP проведены измерения потоков атомов водорода и дейтерия на токамаке JET в различных режимах нагрева плазмы (омический нагрев, нейтральная инжекция, ИЦР нагрев). Выполнено численное моделирование потоков атомов и определены величины изотопного соотношения ионного компонента плазмы.

4. В экспериментах с напуском тритиевого газа в дейтериевую плазму на установке JET обнаружен эффект увеличения времени нарастания потоков атомов трития с ростом их энергии. Эффект проанализирован в рамках диффузионно-конвективной модели и определены коэффициент поперечной диффузии (D = 0.1 м2/с) и скорость переноса ионов трития внутрь плазмы (V=0.5 м/с).

5. Проведен анализ перспективности применения диагностики по потокам нейтральных атомов в тепловом диапазоне энергий для определения изотопного состава термоядерного топлива. Показано, что для условий ИТЭРа, диагностика обеспечивает измерение изотопного состава во внешней области плазмы (г/а > 0.4) с точностью 10% и временным разрешением 0.1с.

В заключение хочу поблагодарить моего научного руководителя В.И.Афанасьева и А.В.Худолеева за постоянную помощь и содействие на всех этапах данной работы. Хочу также поблагодарить М.П.Петрова за ценные методические указания и поддержку.

Благодарю всех сотрудников группы нейтральной диагностики ФТИ РАН и коллег из Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета, и особенно С.С.Козловского и Д.Макарьина за плодотворную совместную работу.

Считаю своим долгом выразить свою глубокую признательность моим зарубежным коллегам А.Гондалекару, М.Уоткинсу и А.Мурари за помощь и создание благоприятных условий для ее проведения на установке JET.

Хочу выразить глубокую благодарность В.В.Афросимову за постоянный интерес к этой работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Миронов, Максим Игоревич, 2010 год

1. ITER Technical Basis, ITER Engineering Design Activities Documentation Series No. 24 IAEA, Vienna 2002 (http://www-pub .iaea.org/MTCD/publications/PDF/ITER-EDA-DS-24 .pdf)

2. ITER Design Description Document: Overview of ITER diagnostic system II (N 55 DDD 12W0.1) July 2004

3. Афросимов B.B, Гладковский И.П., Гордеев Ю.С. и др. . Метод исследования потока атомов, испускаемых плазмой '// ЖТФ. 1960. Т.ЗО. Вып. 12. Стр.1456

4. Fielding S.J., Axon К.В., Сагоlan P.G., et.al. Recycling and Isotope Ratio Control Experiments on COMPASS. 18th Europ.Conf.on Controlled Fusion and Plasma Physics, Berlin, 1991, vol.l5C, part III, pp.73-76

5. Lehan W., Xiaodong L. Measurements of H/D Ratio and Ion Temperature on a HT-6M Tokamak II Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68, No. 1, P. 83

6. Gorini G., Billabio L., Kallne J., et.al. Fuel Density Measurements in Burning Plasmas Using Neutron Spectrometry // In Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors 2. Plenum Press, New York, 1998, P.463

7. Jarvis O.N. Neutron measurement techniques for tokamak plasmas II Plasma Phys. Control. Fusion 1994 V.36 P.209

8. M. Sasao, T. Nishitani, A. Krasilnikov, et al. Fusion products diagnostics II Fus. Sci. and Techn. 2008 Y.53. No.2. P.604

9. D. P. Hutchinson, et al. Feasibility of alpha-particle measurement by CO2 laser Thomson scattering II Rev. Sci. Instrum. 1985. V. 56 P. 1075.

10. F. Meo, H. Bindslev, S. B. Korsholm, E. L. Tsakadze et al Design of the collective Thomson scattering diagnostic for International Thermonuclear

11. Experimental Reactor at the 60 GHz frequency range И Rev. Sci. Instrum. 2004 V.75. P.3585.

12. G W Watson , W W Heidbrink , К H Burrell and G J Kramer, Plasma species mix diagnostic using ion-ion hybrid layer reflectometry И Plasma Phys. Control. Fusion 2004. V. 46 P. 471

13. T. M. Ivkova, V. K. Liechtenstein and E. D. Olshanski. Preparation and application of ultra-thin superstrong diamond-like carbon targets for laboratory and space experiments II Nucl.Instr.Meth. A. 1995 V.362. P.77.

14. П.Ю. Бабенко, С.С. Козловский, В.И. Афанасьев, М.И. Миронов, С.Я. Петров, А.В. Худолеев, Ф.В. Чернышев. Угловые распределения ионов легких элементов после прохождения тонкой углеродной пленки. Н ПЖТФ 2001. т. 27. вып. 19. стр.44

15. J. F. Ziegler, J. P. Biersack, and U. Littmark. The Stopping and Range of Ions in Solids II Pergamon, New York, 1985.

16. J. P. Biersack and L. Haggmark. A Monte Carlo computer program for the transport of energetic ions in amorphous targets И Nucl. Instrum. Methods 1980. V. 174. P. 257.

17. В. Константинов и В. И. Перель, Об энергетическом распределении быстрых нейтральных атомов, выходящих из плазмы, Журнал технической физики, том XXX в. 12, 1960, стр. 1485-1488.

18. Yu.N.Dnestrovskij, S.E.Lysenko, and A.I.Kislyakov, Nuclear Fusion, 19(1979)293

19. Yu.N.Dnestrovskii and D.P.Kostomarov, Section 4.2.4 in Numerical Simulation of Plasmas, Springer-Verlag, Berlin, 1986.

20. А.Б.Извозчиков, М.П.Петров, Баланс нейтральных атомов в плазме Токамака-4, Физика плазмы, т.2, №2, стр.212-218 (1976)

21. J. М. Hammersley and D. С. Handscomb, Monte Carlo Methods, Chapman and Hall, London & New York, 1964

22. В.Е.Голант, А.П.Жилинский, И.Е.Сахаров. Основы физики плазмы. М., Атомиздат, 1977, 384 с.

23. L. Lao, Nuclear Fusion 30 1035 (1990)

24. Atomic Data for Fusion. Volume 1: Collisions of H, H2, He and Li Atoms and Ions with Atoms and Molecules (C. F. Barnett ed.), ORNL-6O86 (1990)

25. A.M.Ermolaev and A.A.Korotkov//J. Phys. B. 1996. V.29.P.2797

26. Aichele K., et al. Electron impact ionization of the hydrogen-like ions Journal of Physics B. v31, p2369

27. D.A.Verner, G.J.Ferland, Atomic data for astrophysics. I. Radiative Recombination rates for H-like, He-like, Li-like, and Na-like ions over a broad range of temperature, Astr. J. Suppl. Series, Vol. 103, pp. 467-473, 1996)

28. A.V. Khudoleev, V.I. Afanassiev and M.I. Mironov, He+ Halo Formation during Neutral Beam Injection into Magnetically Confined Plasma, 23d EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, vol. 20C (III) , 1996, pp. 1039-1042.

29. Миронов М.И., Худолеев A.B., Й. Кусама. Формирование мишени для перезарядки быстрых ионов в плазме больших установок при нейтральной инэ/сещии // Физика плазмы, 2004, V.30, No.2, Р.185

30. J. Wesson, The science of JET /1 JET-R(99)13

31. J. D. Callen and G. L. Jahns. Experimental Measurement of Electron Heat Diffusivity in a Tokamak II Phys.Rev.Let. 1977 V.38, P.491.

32. Gorbunov E.P. et al. // Nucl. Fusion 1971 V.l 1, P.433.

33. K.W.Gentle, O.Gehre, K.Krieger, Determination of particle transport coefficients in ASDEX by gas modulation II Nuclear Fusion, V.32. P.217

34. P. C. Efthimion, L. C. Johnson, J. D. Strachan, E. J. Synakowski, et al. Tritium Particle Transport Experiments on TFTR during D-T Operation II Phys. Rev. Lett. 1995 V.75, P.85.

35. K.-D. Zastrow et al. Trace tritium transport in JET II Nucl. Fusion 1999 V.39, P.1891.

36. Adams J.M., Jarvis O.N., Sadler G.J. et al. The JET neutron emission profile monitor 11 Nucl. Instrum. Methods A 1993 V.329 P.277

37. V.I. Afanasyev, A. Gondhalekar, and A. I. Kislyakov On the Possibility of Determining the Radial Profile of Hydrogen Isotope Composition of JET Plasmas, and of Deducing Radial Transport of the Isotope Ions // JET preprint, JET-R(00)04

38. K-D Zastrow, J M Adams, Yu Baranov, P Belo et al. Tritium transport experiments on the JET tokamak // Plasma Phys.Contr.Fus. 2004 V.46, P.B255.

39. A. I. Kislyakov, M. P. Petrov and E. V. Suvorkin. Measurement of the isotope composition of ITER-FEAT plasma by means of neutral particle diagnostics И Plasma Phys.Contr.Fus. 2001 V.43, P. 1775

40. M.Mironov, V.Afanasyev, A.Murari, M.Santala, P. Beaumont and JET-EFDA contributors. Tritium transport studies with use of ISEP NPA during tritium trace experimental campaign on JET. II Plasma Phys. Control. Fusion 52 (2010) 105008.

41. S.V. Konovalov et al, in Proe. IAEA Technical Committee Meeting on Alpha Particles in Fusion Research, Kiev, USSR, 1989, VI, p.107.

42. L.Ballabio, G.Gorini, J.Kallne. a-particle knock-on signature in the neutron emission of DTplasmas // Phys.Rev.E 1997 V.55 No.3 P.3358

43. V.I.Afanasyev, F.V.Chernyshev, A.I. Kislyakov, S.S.Kozlovski, B.V.Ljublin, \ M.I.Mironov, A.D.Melnik, V.G.Nesenevich, M.P.Petrov, S.Ya.Petrov. Neutral

44. Particle analysis on ITER: present status and prospects. Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research, A 621 (2010) 456^67.

45. European Power Plant Conceptual Study, http://www.efda.org/eufusionjprogramme/downloads/scientificandtechnica lpublications/PPCSoverallreportfmal.pdf