Исследование пристеночной плазмы токамаков

Цели: моделирование пристеночной плазмы термоядерного источника нейтронов на основе токамака; изучение способов защиты от эрозии первой стенки реактора ядерного синтеза с магнитным удержанием; разработка комплекса диагностик для исследования пристеночной плазмы токамаков. Исследования влияния неона на режим отрыва проводили с помощью численного кода SOLPS-ITER, разработанного на кафедре физики плазмы совместно с европейскими коллегами. Результаты по пучковой генерации тока получены с помощью метода Монте-Карло кода NUBEAM, а также с помощью полуаналитической модели для функции распределения скоростей быстрых ионов. Детальное сопоставление расчетов NUBEAM и полуаналитического подхода выполнено с использованием данных равновесия для различных плазменных режимов, полученных с помощью транспортного кода ASTRA. Работа по уточнению дифференциальных сечений реакций ядерного синтеза для широкого диапазона энергий проделана на основе как новейших отчетов МАГАТЭ, так и большого числа других источников. Угловая зависимость дифференциальных сечений выражается в виде разложений по полиномам Лежандра. Исследования взаимодействия плазмы с твёрдым телом проводили методом прямого численного моделирования звукового разлета вещества испаренного с материальной поверхности пеллета под действием потока высокотемпературной плазмы. Учтены процессы ионизации, возбуждения и девозбуждения электронным ударом, а также трехчастичная рекомбинация. Влиянием излучательных процессов пренебрегалось, поскольку их вклад в распределение по степеням ионизации и по уровням возбуждения значительно уступает вкладу столкновений с электронами. Для исследования геодезической акустической моды в токамаке Глобус-М использовался метод доплеровской рефлектометрии. Показано, что при инжекции неона в токамак-реактор ИТЭР может быть реализован режим отрыва, при котором на диверторные пластины попадает меньшая часть термоядерной мощности, а плотность потока энергии оказывается меньше 10 Мвт/м². При этом концентрация неона в центральной части разряда остается на приемлемом уровне и не приводит к существенным потерям на излучение. Выполнена проверка численных кодов путем сопоставления результатов с точными решениями в области их применимости. Для нейтронного источника DEMO-FNS на основе токамака с высоким аспектным отношением получено хорошее совпадение интегрального нейтронного выхода и полного тока быстрых ионов. Более заметные расхождения между двумя подходами наблюдаются для нейтронного источника FNS-ST на основе сферического токамака с меньшим аспектным отношением. Получены уточненные параметризации дифференциальных сечений, полных сечений и астрофизических S-функций для ядерных реакций D(D,n)He₃ и D(D,p)T в широком диапазоне энергий. Построена численная модель для расчета распределения вещества по ионизационным состояниям и уровням возбуждения при одномерном его разлете вдоль магнитного поля со звуковой скоростью. Выполнены расчеты для измеренных распределений плотности и температуры в облаке. Показано, что вблизи материальной поверхности, где наиболее низкая температура ~ 1 эВ, заселенность возбужденных состояний атомов, а также плотность ионов водорода находятся в равновесии. В то же время, заселенность основного состояния превышает равновесную и достигает равновесной лишь на некотором удалении ~3 - 4 мм от облака, что связано со значительным ускорением процессов возбуждения и ионизации с ростом температуры. Сделаны уточнения в методику определения температуры по измеренному отношению коэффициентов испускания линии и непрерывного спектра. Проведено комплексное исследование геодезической акустической моды (ГАМ) в токамаках Глобус-М и Туман-3М. Определены область локализации, особенности эволюции ГАМ. Проведено сравнение характеристик ГАМ в токамаках различной конфигурации. Выполнено моделирование режимов отрыва токамака-реактора ИТЭР. Для исследования ГАМ были использованы созданные два доплеровских рефлектометра, предназначенных для измерения параметров флюктуаций периферийной плазмы. Один из них одночастотный с возможностью задания частоты в диапазоне 2 - 37 ГГц; второй - четырехчастотный, работающий на фиксированных частотах 20, 29, 39 и 48 ГГц. Разрешающая способность рефлектометров по радиусу 0,5 см. Полученные результаты будут использованы при выборе режимов работы токамака-реактора ИТЭР, в Институте физики токамаков НИЦ «Курчатовский институт», в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН при проектировании токамака Глобус-М2 и при выборе режимов проектируемого в России термоядерного источника нейтронов на основе токамака. Область применения: термоядерная энергетика на основе токамака. Токамак-реактор ИТЭР планируется запустить в 2025 г.