РАЗДЕЛ VI. ПРОЦЕССЫ В ПЕРИФЕРИЙНОЙ ПЛАЗМЕ
§ 18. УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ И ЧАСТИЦ
Одна из основных задач, без которой невозможно создание установки реакторных масштабов – задача оптимизации взаимодействия плазмы со стенкой. Это подразумевает, с одной стороны, выбор такого материала стенки, который бы выдерживал тепловые нагрузки, характерные для реактора в штатных режимах и в случае срывов разряда. С другой стороны, необходимо обеспечить перераспределение потоков, идущих из плазмы, с помощью управления параметрами разряда таким образом, чтобы максимально снизить нагрузку на первую стенку и тем самым облегчить требования к выбору конструкционных материалов.
18.1. Особенности переноса в SOL
Как известно, область за последней замкнутой магнитной поверхностью отличается высоким продольным (вдоль магнитной силовой линии) переносом энергии и частиц. Режим параллельного транспорта определяется числом Кнудсена – отношением кулоновской длины свободного пробега к длине связи между экваториальной плоскостью и диверторной пластиной, Кр=λ/L (~Te2/ne). Если Кр<<1, то перенос считается диффузионным,
χ||e~Te5/2/ne.
Поперечный перенос в SOL превышает классический. Обычно для описания экспериментальных результатов хорошо подходит χ e~0.1-1 м2/с.
На рис. 98 показано характерное распределение параметров в SOL вместе с распределением флуктуаций на примере результатов Alcator C-Mod. Видно, что градиенты плотности и харак-
170
тер флуктуаций меняются по мере продвижения от сепаратрисы к стенке, что позволяет разделить SOL на две области – дальний и ближний слои. Ближний SOL характеризуется более высокими градиентами параметров плазмы, для дальнего SOL характерны плоские распределения и флуктуации, проявляющиеся как вспышки активности и несущие большие потоки энергии и частиц на первую стенку.
Рис. 98. Профили плотности и флуктуации в SOL в омическом разряде в Alcator C-mod [12]. Сверху – плотность в зависимости от расстояния в глубь SOL. Показаны три области: ближний SOL (Near SOL), дальний SOL (Far SOL) и тень лимитера (Limiter Shadow). Внизу – изменение характера флуктуаций в ближнем и дальнем SOL
Наряду с этой картиной, типичной для многих установок в большинстве рабочих режимов, в режимах с высокой плотностью плазмы было обнаружено появление вспышек излучения Dα, которые соответствовали выбросу из плазмы объектов повышенной плотности (рис. 99). Эти вспышки получили название «блобы». Дальнейшие исследования показали:
1)блобы рождаются в области внутри сепаратрисы, движутся наружу;
2)плотность плазмы внутри блоба в несколько раз превосходит плотность плазмы в окружающих областях;
171
3)блобы приводят к резкому увеличению поперечного транспорта в SOL, движение блоба происходит со скоростью, превышающей 100 м/с;
4)сопоставление данных на внутреннем и внешнем обводах тора дают основание полагать, что зарождение этих объектов происходит на внешнем обводе, затем они дрейфуют на внутренний обвод;
5)появление блобов приводит к перераспределению нагрузки между дивертором (лимитером) и первой стенкой и значительному увеличению тепловых нагрузок на первую стенку.
Сепаратриса
← внутрь (радиальное направление) наружу →
Рис.99. Двумерное изображение распределения излучения Dα из плазмы токамака Alcator-C mod. Режим с ne/nGw=0.7. Светлый цвет соответствует областям с большей плотностью [12]
Наблюдение блобов в какой-то степени меняет концепцию выбора материалов – проблема выбора материала стенки камеры вновь становится столь же актуальной, как и проблема подбора материала диверторных пластин.
172
До сих пор не создана теоретическая модель, которая позволяет описать формирование и распространение блобов. Поэтому анализ их возможного влияния на плазму в условиях реактора остается нерешенной задачей.
18.2. Устройство и режимы работы дивертора
Дивертор – устройство, предназначенное для съема тепловых нагрузок и удаления потоков частиц, уходящих из плазмы через последнюю замкнутую поверхность. Схема дивертора, предлагаемого для ИТЭР, показана на рис. 100.
Рис. 100 Схема дивертора ИТЭР [5]: vertical target — вертикальная пластина, liner — облицовка, gas seal — газовый клапан, baffle — экран, dome
—купол
Взависимости от числа Кнудсена различают следующие режимы работы дивертора:
1.Sheath limited regime: 0.1<Kp<0.5 – низкая плотность или высокая температура на сепаратрисе, температура вблизи дивер-
173
торных пластин и поток на пластину – высокие. Режим, неприемлемый для реактора.
2.Conduction limited regime (режим ограниченной проводи-
мости, режим с высоким рециклингом): Kp<<0.1 – достигается с ростом плотности на сепаратрисе – продольная температура падает, градиент температуры вдоль силовой линии (а, следовательно, плотность вблизи пластины) растет. Это приводит к снижению теплового потока на пластину. Однако снижения теплового потока в этом режиме недостаточно для ИТЭР.
3.Detached plasma regime (режим с «отрывом» плазмы)
наблюдается при дальнейшем увеличении плотности и/или снижении теплового потока на пластины. При достижении
температуры Te~1 эВ за счет изменения баланса между ионизацией и объемной рекомбинацией плотность нейтралов возрастает. Это режим предпочтительный для реактора. Основные особенности режима с отрывом плазмы таковы:
—снижение ионного тока на пластину из-за рекомбинации или недостаточной энергии для ионизации (рис. 101);
—снижение давления плазмы на пластину;
—снижение мощности, падающей на пластину, за счет излучения из объема.
Нет отрыва
Режим с отрывом дивертора
Сепаратриса
Рис. 101. Снижение ионного тока на внешнюю пластину дивертора при переходе в режим отрыва плазмы на установке Alcator C-mod [5]
174
Переход из режима «Sheath limited» в режим с высоким рециклингом и затем в режим отрыва был исследован на токамаке Alcator C-mod (см. рис. 101), а также и в других токамаках. Видно, что в режиме «Sheath limited» давление плазмы не меняется вдоль силовой линии, а температура плазмы в эквато-риальной плоскости вдвое превышает температуру вблизи диверторной пластины. С ростом плотности происходит пере-ход в режим высокого рециклинга и при сохранении давления вдоль силовой линии происходит спад температуры плазмы в области дивертора. Дальнейшее увеличение плотности приводит к переходу в режим отрыва плазмы. Давление перестает сохра-няться вдоль магнитной силовой линии вблизи сепаратрисы, температура в области дивертора достигает 1-2 эВ.
По конструкции различают открытый и закрытый дивертор. Дивертор, показанный на рис. 100 — закрытого типа. Пример дивертора открытого типа показан на рис. 102.
Откачка для специальных режимов улучшенного удержания
Рис 102. Одна из ранних модификаций дивертора установки DIII-D [5]
Использование конструкции закрытого дивертора в ИТЭР продиктовано необходимостью иметь режим отрыва плазмы. Закрытый дивертор позволяет увеличить давление нейтрального
175