Создание диагностики зараженных продуктов реакций синтеза и ее применение в омических режимах Токамака Т-10 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Поповичев, Сергей Владимирович

• Поповичев, Сергей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Поповичев, Сергей Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение

Глава 1. Заряженные продукты синтеза в токамаке и методы их

детектирования

§ 1.1. Эффективные сечения и скорости термоядерных

реакций

§ 1.2. Механизмы потерь продуктов синтеза в токамаке

§ 1.3. Заряженные продукты синтеза как средство

диагностики плазмы

§1.4. Методы детектирования продуктов синтеза на

токамаках

Глава 2. Моделирование движения продуктов синтеза

в токамаке

§ 2.1. Постановка задачи

§ 2.2. Описание численной модели

§ 2.3. Общая характеристика траекторий продуктов синтеза

в токамаке Т-10

Глава 3. Создание диагностики заряженных продуктов синтеза

на установке Т-10

§3.1. Технические аспекты измерения

неудерживаемых термоядерных частиц

§ 3.2. Конструкция блока детектирования

§ 3.3. Детекторы

§ 3.4. Защита детектора от оптического излучения

§ 3.5. Коллиматоры

§ 3.6. Реперный альфа-источник

§ 3.7. Структура и характеристики спектрометрического

тракта

§ 3.8. Аттестация и энергетическая калибровка

спектрометра

Глава 4. Первые опыты по детектированию ЗПС на Т-10

§ 4.1. Результаты первых измерений

§ 4.2. Оценка величины ионной температуры

§ 4.3. Интерпретация измерений

Глава 5. Исследование поведения заряженных продуктов

синтеза на Т-10

§ 5.1. Модернизация диагностики

§ 5.2. Результаты спектрометрических измерений

§ 5.3. Цель радиометрических измерений на Т-10

§ 5.4. Траектории детектируемых частиц и вычисление

абсолютных потоков на детектор

§ 5.5. Зависимость потоков термоядерных частиц

от параметров разряда и положения детектора

§ 5.6. Эксперименты со сбросом величины тока плазмы

Глава 6. Перспективы дальнейшего развития диагностики

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание диагностики зараженных продуктов реакций синтеза и ее применение в омических режимах Токамака Т-10»

ВВЕДЕНИЕ

Исследование поведения заряженных продуктов термоядерной реакции в плазме установок токамак является одной из важнейших задач в программе исследований УТС, получившая специальное название "проблема альфа-частиц". Дело в том, что заряженные продукты, образующиеся в реакциях синтеза, несут от 19 % (ОТ-реакция) до 66 % (ОО-реакция) от полной энергии термоядерного синтеза. Удерживаясь в магнитной ловушке - токамаке - они по мере своего торможения должны передавать свою энергию плазме, тем самым обеспечивая условия самоподдерживающейся термоядерной реакции. Таким образом, от характера поведения заряженных продуктов реакций синтеза (ЗПС) зависит принципиальная возможность создания реактора на базе установок токамак. Классическая теория предсказывает хорошее удержание ЗПС в установках больших размеров. Однако, в ряде случаев наблюдались аномальные потери этих частиц, вызываемые МГД-флуктуациями плазмы, альфвеновскими неустойчивостями или стохастической диффузией.

Токамак Т-10 относится к классу установок среднего масштаба с низкой эффективностью удержания термоядерных частиц, на котором ряд предсказываемых теорией механизмов потерь не может реализоваться и, следовательно, изучаться экспериментально. В частности, диффузия, вызываемая гофрировкой тороидального магнитного поля (стохастическая диффузия) воздействует только на те частицы, которые, во-первых, двигаются по так называемым "банановым" траекториям и, во-вторых, удерживаются в плазме. На установке Т-10 такие частицы отсутствуют, поскольку из-за небольших размеров установки и больших поперечных размеров "банановых" траекторий такие частицы сразу выходят на стенку. Тем не менее, установка Т-10 представляет значительный интерес для изучения проблемы удержания заряженных продуктов синтеза. Это обусловлено следующими факторами.

Во-первых, большая величина гофрировки тороидального магнитного поля на Т-10 приводит к захвату значительной доли термоядерных частиц в локальные магнитные ямы и к их выходу на стенку в результате вертикального дрейфа. На установке Т-10 имеется принципиальная возможность изменять глубину локальной магнитной ямы не только путем изменения запаса устойчивости q и смещения плазменного шнура в вертикальном и горизонтальном направлениях, но и путем изменения профиля плотности тока с помощью электронного циклотронного нагрева плазмы и генерации "токов увлечения".

Во-вторых, большинство ЗПС, рожденных вблизи центра установки, сразу покидают токамак и несут информацию о самой горячей зоне плазмы - о профиле плотности источников реакций, о ионной температуре и конфигурации магнитного поля.

В-третьих, на Т-10 целесообразно изучать потери ЗПС по "первым орбитам", поскольку они не замаскированы механизмом стохастической диффузии.

В-четвертых, невысокий выход термоядерных реакций и незначительная доля ускоренных электронов в целом обеспечивают низкий уровень радиации, а потому для регистрации ЗПС можно использовать даже достаточно чувствительные к ионизирующему излучению детекторы, например, спектрометрические кремниевые полупроводниковые детекторы (ППД).

Таким образом, исследование поведения ЗПС на токамаке Т-10 также имеют важное значение для изучения "проблемы альфа-частиц". Действительно, хотя выход DD-синтеза невелик, но он вполне достаточен для надежной регистрации как термоядерных нейтронов, так и не-удерживаемых заряженных продуктов синтеза (ЗПС), в то время как на крупных установках токамак, таких как JET, TFTR и JT-60, прецизионная спектрометрия ЗПС затруднена из-за высокого радиационного фона.

В настоящей диссертации описывается созданный комплекс измерительной аппаратуры, предназначенной для регистрации заряженных продуктов синтеза в дейтериевых разрядах токамака Т-10, и приводятся результаты экспериментальных исследований в омических режимах.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Поповичев, Сергей Владимирович

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Разработана численная модель для расчета траекторий заряженных продуктов термоядерной реакции в токамаке. Она базируется на решении уравнения движения ведущего центра в дрейфовом приближении без учета гофрировки магнитного поля и Шафрановского сдвига магнитных поверхностей. Численная модель позволяет рассчитать потери продуктов синтеза по "первым орбитам" и интерпретировать результаты измерений.

2. Разработан диагностический комплекс для измерения на токамаке Т-10 потоков и энергетических спектров неудерживаемых заряженных термоядерных частиц - 1-МэВ тритонов и 3-МэВ протонов. В качестве детекторов используются кремниевые неохлаждаемые ППД, обладающие высокой эффективностью регистрации и наилучшим энергетическим разрешением. Для защиты детекторов от паразитных плазменных излучений разработаны и применены специальные технические меры, которые обеспечили рекордные параметры спектрометра.

3. Проведены измерения неудерживаемых заряженных продуктов синтеза в омических режимах токамака Т-10. Экспериментально изучены зависимости потока детектируемых частиц как от параметров плазменного разряда, так и от положения и ориентации детектора, степени его коллимации. По уширению энергетических спектров термоядерных тритонов и протонов определена ионная температура плазмы, значение которой не противоречит результатам независимых измерений по спектрам атомов перезарядки.

4. Обнаружено явление аномальных потерь заряженных продуктов реакций синтеза из Т-10 при быстром спаде тока плазмы. По результатам такого эксперимента оценена эффективность удержания термоядерных частиц, которая согласуется с результатами численного моделирования.

5. Предложены пути дальнейшего усовершенствования диагностики для измерения профиля источника термоядерной ОБ-реакции и профиля плотности тока в токамаке. Предложена идея использования одного спектрометрического детектора с несколькими коллиматорами и "фольгами-замедлителями" для измерения распределения неудерживае-мых продуктов синтеза по питч-углам. Экспериментально продемонстрирована принципиальная осуществимость этой идеи.

В заключение хочу выразить искреннюю благодарность моему научному руководителю - Заверяеву B.C., за постановку задачи и экспериментов и огромную помощь в подготовке и написании данной работы, а также сотрудникам ИЯС РНЦ "КИ" - Трубникову A.C., Павлову Ю.Д., Ноткину Т.Е., Лихтенштейну В.Х., Путвинскому C.B., Коновалову C.B. и Храменкову A.B., за постоянное внимание, интерес к данной работе и полезные обсуждения результатов. Автор считает своим приятным долгом поблагодарить многочисленных соавторов за предоставление необходимых экспериментальных и расчетных данных.

Особо следует отметить сотрудников НИЦ "Союзный НИИ приборостроения" - Майсюкова В.Д., Шевченко А.П. и Гамаюнова С.Н., вместе с которыми создавалась ЗПС диагностика, и проводились измерения на установке Т-10.

Выполнение экспериментов, изложенных выше, было бы невозможно без оказания помощи со стороны инженерного и технического персонала установки Т-10, в особенности Богданова В.Ф., Орлова П.Н., Мардасова Ю.Н., Ивкина В.М., а также помощи сотрудников КБ, в особенности Александрова Е.В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Поповичев, Сергей Владимирович, 1998 год

-112-СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Дж.Ошер. "Корпускулярная диагностика", в кн. "Диагностика плазмы" под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. Изд-во "Мир", М., 1967.

2. D.L.Book. "NRL Plasma Formulary". NRL, Washington, USA, 1990.

3. H.Brysk. "Fusion neutron energies and spectra". Plasma Physics, Y.15 (1973), p. 611-617.

4. А.В.Гуревич, Я.С.Димант. "Кинетическая теория конвективного переноса быстрых частиц в токамаках". Вопросы теории плазмы: Сб. ст. Вып. 16. Под ред. акад. Б.Б.Кадомцева. М.: Энергоатомиздат, 1987.

5. С.В.Путвинский. "Альфа-частицы в токамаке". Вопросы теории плазмы: Сб. ст. Вып. 18. Под ред. акад. Б.Б.Кадомцева. М.: Энергоатомиздат, 1990.

6. R.B.White and H.E.Mynick. "Alpha particle loss in tokamaks".

In Proc. of the 16th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Venice, 1989, Vol. 13B, Part I, p.331-333, EPS, Petit-Lancy, 1989.

7. C.Z.Cheng. "Alpha-particle driven MHD instabilities in ignited tokamaks".

In Proc. of the 17th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Heating, Amsterdam, 1990, Vol. 14B, Part II, p. 910-913, EPS, Petit-Lancy, 1990.

8. W.W.Heidbrink, E.J.Strait, E.Doyle, G.Sager, R.T.Snider.

"An investigation of beam driven Alfven instabilities in the DIII-D tokamak". Nuclear Fusion, 31(9), 1991, p. 1635-1648.

9. S J.Zweben, R.Boivin, D.S.Darrow, E.D.Fredrickson, H.E.Mynick, R.B.White, H.Biglari, N.L.Bretz, R.V.Budny, C.E.Bush, et al.

"Charged fusion product and fast ion loss in TFTR". In Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research 1992, Vol. 1, p. 363-381, Vienna, 1993. IAEA.

10. W.W.Heidbrink. "Experimental aspects of effects of high energy particles on Alfven modes". Preprint GA-A21811, October 1994.

11. S.H.Batha, F.M.Levinton, D.A.Spong, R.V.Budny, Z.Chang, D.S.Darrow, E.D.Fredrickson, G.Y.Fu, E.Mazzucato, R.Nazikian, SJ.Zweben. "Experimental study of toroidicity induced Alfven Eigenmode (TAE) stability at high q(0)". Nuclear Fusion, 35(12), 1995, p. 1463-1468.

12. SJ.Zweben, D.S.Darrow, H.W.Herrmann, et al., "Alpha particle loss in the TFTR DT experiments", Nuclear Fusion, 35(8), (1995), p.893-917.

13. N.E.Karulin, S.V.Putvinskij. "Some theoretical aspects of charged fusion product plasma diagnostics". Nuclear Fusion, 25(8), 1985, p. 961-970.

14. H.H.Duong, W.W.Heidbrink. "A 15 MeV proton diagnostic for DIII-D". Rev. Sci. Instrum., 61(10), 1990, p.3137-3139.

15.0.N.Jarvis, J.M. Adams, S.W.Conroy, F.B.Marcus, G.Sadler, N.Watkins, and P.van Belle. "Triton burnup in JET - profile effects". In Proc. of the 18th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Berlin, 1991, Vol. 15C, Parti, p. 21-24, EPS, Petit-Lancy, 1991.

16. C.W.Barnes, H.-S.Bosch, E.B.Nieschmidt, T.Saito, M.Bitter, et al. "Triton burnup studies on TFTR". In Proc. of the 15th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Heating, Dubrovnik, 1988, Vol. 12B, Parti, p. 87-90, EPS, Petit-Lancy, 1988.

17. D.A.Boyd, D.J.Campbell, J.G.Cordey, W.Core, J.P.Christiansen, G.A.Cottrell, et al. "He-d fusion reaction rate measurements during fast-

wave heating experiments in JET". Nuclear Fusion, 29(4), 1989, p. 593-604.

18. V.G.Kiptily. "Capabilities of gamma spectroscopy for fast alpha-particle diagnostics". Fusion Tech., 18(4), 1990, p.583-590.

19. S.S.Medley, S.D.Scott, A.L.Roquemore, F.E.Cecil. "Performance of the fusion gamma diagnostic on TFTR". Rev. Sci. Instrum., 61(10), 1990, p. 3226-3228.

20. M.P.Petrov, R.V.Budny, H.H.Duong et al. "Studies of energetic confined alphas using the pellet charge-exchange diagnostic on TFTR". Preprint PPPL-3121, July 1995.

21. G.A.Cottrell, P.P.Lallia, G.Sadler, P.van Belle. "Identification of ion cyclotron emission from charged fusion products".

In Proc. of the 13th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Heating, Schliersee, 1986, Vol. 10C, Part II, p.37-40, EPS, Petit-Lancy, 1986.

22. S.Cauffman, R.Majeski, K.G.McClements, R.O.Dendy. "Alfvenic behaviour of alpha particle driven ion cyclotron emission in TFTR". Nuclear Fusion, 35(12), 1995, p. 1597-1602.

23. R.Bastasz, D.Buchenauer, S.Zweben. "Collector probe measurement of fusion tritons in TFTR". Rev. Sci. Instrum., 61(10), 1990, p.3199-3201.

24. S.W.Conroy, H.Bergsaker, J.P.Coad, O.N.Jarvis, F.B.Marcus, G.M.McCracken, R.A.Pitts, G.Sadler, P.van Belle, J.Zhu. "Alpha-particle diagnostics for the D-T phase". In Proc. of the 18th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Berlin, 1991, Vol. 15C, Part IV, p. 265-268, EPS, Petit-Lancy, 1991.

25. K.Tobita, Y.Neyatani, Y.Kusama, H.Takeuchi. "Infrared TV measurement of fast ion loss on JT-60U". Rev. Sci. Instrum., 66(1), 1995, p.594-596.

26. H.W.Hermann, S.J.Zweben, D.S.Darrow et al. "Deuterium-tritium results of TFTR's alpha collector". Nuclear Fusion, 37(3), 1997, p.293-320.

27. S.J.Zweben. "Four-channel ZnS scintillator measurements of escaping tritons in TFTR". Rev. Sci. Instrum., 60(4), 1989, p. 576-587.

28. S.J.Zweben. "Pitch angle resolved measurements of escaping charged fusion products in TFTR". Nuclear Fusion, 29(5), 1989, p.825-833.

29. R.E.Chrien, R.Kaita, J.D.Strachan. "Observation of d(d,p)t reactions in the Princeton Large Torus". Nuclear Fusion, 23(10), 1983, p. 13991402.

30. W.W.Heidbrink, J.D.Strachan. "Tokamak ion temperature and poloidal field diagnostics using 3-MeV protons". Rev. Sci. Instrum., 56(4), 1985, p.501-518.

31. H.-S.Bosch. "Diagnostics with charged fusion products in ASDEX". Rev. Sci. Instrum., 61(6), 1990, p. 1699-1707.

32. C.Doloc, G.Martin. "Interaction between L.H. waves and thermonuclear protons". In Proc. of 20th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Lisboa, 1993, У.17С, Part III, p.893-896, EPS, Geneva (1993).

33. W.W.Heidbrink, J.Lovberg, J.D.Strachan, R.E.Bell. "Fusion product measurements of the local ion temperature gradient in the PLT tokamak". Nuclear Fusion, 27(1), 1987, p.129-133.

34. R.E.Chrien, J.D.Strachan. "D-3He reaction measurements during fast wave minority heating in the PLT tokamak experiment". Phys. Fluids, 26(7), 1983, p. 1953-1964.

35. Ю.Н.Днестровский, Д.П.Костомаров "Математическое моделирование плазмы". М.: Наука, 1993.

36. Л.А.Арцимович "Лекции по физике плазмы", в кн. Л.А.Арцимович "Избранные труды. Атомная физика и физика плазмы", М: Наука, 1978, с.213.

37. J.A.Rome, Y.K.Peng. "The topology of tokamak orbits". Nuclear Fusion, 19(9), 1979, p. 1193-1205.

38. Е.Л.Березовский, В.С.Заверяев, Н.Е.Карулин, С.В.Поповичев, С.В.Путвинский. "Предварительные исследования для проведения экспериментов по регистрации термоядерных заряженных частиц на Т-10 и Т-15". Материалы семинара специалистов стран-членов СЭВ "Диагностика плазмы на токамаке Т-15". Будапешт, ВНР, 1985.

39. В.С.Заверяев, В.Д.Майсюков, С.В.Поповичев, С.В.Путвинский, Е.В.Александров, С.Н.Гамаюнов, В.Г.Гулый, В.Х.Лихтенштейн, И.Е.Мирский, А.П.Шевченко "Диагностика термоядерной плазмы по заряженным продуктам реакций синтеза". Материалы семинара специалистов стран-членов СЭВ "Диагностика плазмы на токамаке Т-15". Нойбрандербург, ГДР, 1987, с. 174-195.

40. В.С.Заверяев, В.Д.Майсюков, С.В.Поповичев, Е.В.Александров, С.Н.Гамаюнов, В.Г.Гулый, В.Е.Жоголев, В.Х.Лихтенштейн, И.Е.Мирский, С.В.Путвинский, А.П.Шевченко "Диагностика плазмы на установке Т-10 по заряженным продуктам (с!-с1)-синтеза: первые результаты и проблемы". Физика плазмы. Т. 16, вып. 11 (1990), с. 1301-1312.

41. С.Н.Гамаюнов, В.Г.Гулый, В.Д.Майсюков и др. "Опыт разработки и мелкосерийного изготовления спектрометрических неохлаж-даемых ППД из кремния n-типа", Новости ИАИ (Интератом-интрумент), вып. 4 (57), 1986, с.19-24.

42. В.Х.Лихтенштейн, "Детектор для регистрации нейтральных частиц", Бюллетень Госкомизобретений СССР, 37 (1979), стр. 237

43. С.В.Стародубцев, А.М.Романов "Прохождение заряженных частиц через вещество", Ташкент, Изд-во АН УзССР, 1962, стр.71.

44. В.С.Заверяев, В.Д.Майсюков, С.В.Поповичев, В.Е.Жоголев, С.В.Путвинский, С.Н.Гамаюнов, И.Е.Мирский, А.П.Шевченко "Проект системы ЗПС-диагностики плазмы для установки Т-15". Материалы семинара специалистов стран-членов СЭВ "Диагностика плазмы на токамаке Т-15". Либлице, Чехословакия, 1989, с.85-107.

45. Н.Е.Карулин, С.В.Коновалов, С.В.Путвинский "О возможности использования микроканальных пластин в качестве коллиматора энергичных заряженных частиц". Журнал технической физики, 56(5), (1986), с. 904-909.

46. А.И.Абрамов, Ю.А.Казанский, Е.С.Матусевич. "Основы экспериментальной ядерной физики", М., Энергоатомиздат, 1985.

47. O.N.Jarvis. "Neutron detection techniques for plasma diagnostics". In proceedings of the Course "Diagnostics for Fusion Reactor Conditions" (Varenna, Italy, 1982). EUR 8351-1 EN, Vol. 1, 1982.

48. H.-S.Bosch. "Diagnostics with charged fusion products in ASDEX". Rev.Sci.Instrum. 61(6), 1990, p.1699-1707.

49. V.S.Zaveryaev, V.D.Majsukov, S.V.Popovichev, A.P.Shevchenko. "Charged fusion products behavior in T-10 Tokamak plasma".

In Proc. of 20th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Lisboa, 1993, V.17C, Part I, p.75, EPS, Geneva (1993).

50. В.С.Заверяев, В.Д.Майсюков, С.В.Поповичев, А.П.Шевченко, С.Н.Гамаюнов, В.Х.Лихтенштейн. "Результаты измерения заряженных продуктов синтеза на токамаке Т-10". Физика плазмы. Т.20, вып.2 (1994), с.201-203.

51. J.Schivell, D.A.Monticello, S.J.Zweben, "Calculation of charged fusion product distributions in space, energy, and time". Preprint PPPL-2833, February 1992.

52. K.Tobita, T.Nishitani, H.Harano et al. "Transport and loss of energetic ions in JT-60U". In Proc. of the 16th IAEA Fusion Energy Conference (1996), Report IAEA-CN-64/A5-6.

53. В.Е.Жоголев, В.С.Заверяев, В.Д.Майсюков, С.В.Поповичев, С.В.Путвинский, А.П.Шевченко. "Проект диагностики плазмы Т-15 по заряженным продуктам реакций синтеза". Тезисы докладов 5-го Всесоюзного Совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Минск (1990), с. 189.

54. V.S.Zaveryaev, V.D.Maisyukov, A.V.Khramenkov, V.G.Merezhkin, S.V.Popovichev, S.V.Trusillo. "Diagnostics proposal for T-15 fusion research by means of charged products and neutrons". Nuclear Fusion, 35(12), 1995, p. 1631-1637.

55. V.S.Zaveryaev, V.D.Maisyukov, A.V.Khramenkov, V.G.Merezhkin, S.V.Popovichev, S.V.Trusillo "The T-15 Fusion Products Study: Plans and Diagnostics". In Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors (Proc. of the Int. Workshop on Diagnostic for ITER, Varenna, 1995) Plenum Press, New York (1996), p. 625-633.

56. V.Basiyk, G.Martin et al. "Energy measurement of fast ions trapped in the toroidal field ripple in Tore-Supra". Collection papers presented at the IAEA Technical Committee Meeting on alpha-particle in fusion research, Triest, Italy 1993, p.89-94.

57. G.Martin, P.Gilles, P.Joyer. "Fusion profile measurement on TORE-SUPRA". In Proc. of the 17th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Heating, Amsterdam, 1990, Vol. 14B, Part IV, p. 1584-1587, EPS, Petit-Lancy, 1990.

58. С.В.Поповичев, В.С.Заверяев, Ю.Д.Павлов, А.В.Храменков, В.Д.Майсюков, А.П.Шевченко, В.П.Соколов. "Диагностика продуктов термоядерной DD-реакции на токамаке Т-10". Тезисы докладов XXV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород (1998), с. 70.

59. S.V.Popovichev, V.S.Zaveriaev, Ju.D.Pavlov, A.V.Khramenkov, V.D.Maisyukov, A.P.Shevchenko, V.P.Sokolov "DD-fusion products measurements on T-10 Tokamak". In Proc. of the 1998 Intern. Congress on Plasma Physics and 25th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Prague , 1998, Vol. 22C, p. 1558-1561, EPS, Prague (1998).