Способ измерения параметров плазмы в токамаке Советский патент 1985 года по МПК G21B1/00 

ел

о

О5

а

Од Изобретение относится к управляемому термоядерному синтезу и может быть использовано для измерений распределений давления плазмы и распределения плазменного тока в токамаке, в котором протекают термоядерные реакции с образованием энергичных заряженных частиц. Известен способ измерения ионной температуры, основанный на измереНИИ энергетргаеского спектра нейтральных частиц, вылетающих из плазьш на стенку ll. Однако при больших размерах, плотности и температуре плазмы поток нейтралов мал, что существенно снижает точность измерений. Наиболее близким техническим решением к изобретению является спосо измерения параметров плазмы, основанньй на измерении распределения потока энергичных термоядерных частиц датчиками, равномерно распре деленными по поверхности стенки токамака U2. Анализ траекторий инжектируемых ионов позволяет судить о распределении тока в плазме. Однако для реа лизации этого способа требуется использование специальных инжекторов тяжелых ионов и поэтому этот способ не получил широкого распрост ранения. Целью изобретения является расши рение диапазона исследуемых параметров . Цель достигается тем, что согласно способу измерения параметров пла мы в токамаке, основанному на измерении распределения потока энергичных термоядерных частиц датчиками, равномерно распределенными по поверх ности стенки токамака, проводят изме рения двух потоков частиц, падающих на стенку под двумя разными питч-углами, двумя группами равномерно распределенных по поверхности стенки датчтсов и по двум распределениям потоков частиц по поверхности судят о распределении плотности плазменного тока на поверхности стенки и распределении давления плазмы. Способ позволяет получить наиболее точные результаты при неслишком большой величине плазменного тока ,A/YA-(MA), где А R/a - аспек ное отношение тойа, когда термоядерные а -частрйцы вькодят из всего объема плазменного шнура, включая окрестность магнитной оси. При таких значениях тока полный коэффициент удержания К -частиц достаточно большой (.например, при I « 2МА Кд 95%) и поэтому этот диапазон токов представляет интерес как для реакторных приложений, так и для будущих эксперю4ентов, рассчитанных на исследование плазмы в режиме термоядерного горения. При I 5,4/УА частицы, рождающиеся в окрестности магнитной оси, не выходят на стенку камеры и, следовательно, можно восстановить параметры плазмы только на периферии плазменного шнура. В дальнейшем рассмотрим измерение потоков oi-частиц, хотя все измерения можно основывать и на регистрации других заряженных частиц (например, протонов с энергией 14,7 мэВ, рождающихся в реакции D + р + d). Рассмотрим сначала, как выбирается расположение датчиков на стенке камеры и как рассчитываются за шсимости питч-углов от радиуса ХотСКд) и 02.0 Дрейфовая траектория ot-частицы в аксиально-симметричном магнитном поле токамака определяется двумя законами сохранения: законом сохранения магмагнитного момента (1 - )R (1 - X)R, законом сохранения обобщенного момента импульса -- Х R 4xR-f- nr° ° ITTmcV где г , V - поток полоидального магнитного поля; V - скорость-, е - заряд и п - масса oi-частицы. Величины с индексом О - это значения переменных в точке выхода траектории на стенку камеры. Число частиц dN, родившихся в объеме d d V , равно dN P(x)d3 . dV , где P(x) ( - скорость рождения частиц5 П-- плотности реагирующих ионовi 6 - сечение термоядерной реакции. Переходя от переменных х ,v к пе ременным R, р , Ч, V, х,й6 а затем с помощью (1) и (2) от R , j , X , / к R , -рд , тс ifo можно ползгчить следующее выражение для плотности потока частиц П,Со)-Н dMI , - rf «.)Ь W- где -5-3 R - радиус магнитной оси. Интегрирование в (3) ведемся вдоль траектории частищ 1,так, что R К(р) согласно (2) и Х х ()согласно (1). Обычно функция P(f ) быстро спадает по радиусу и поэтом правую часть- (3) можно упростить, разложив подынтегральное выра кение в ряд в окрестности точки f f min (Pmin минимальное значение p на траектории с данными значениями Xj и Rft , которое достигается при Z -0) . Тогда из (3) следует ze ) e 2J)mtV n,Po) iRTi -, +2X гтгплсУ dR lfp2.pi к mi Здесь x«, p,,) и V(fi){R,Z) Зависимость V(R)определяется распределением плотности плазменного тока, а функция Р( j3 ) в диапазоне температур 10 кэВ Т 20 кэВ про порциональна квадрату давления Р(р ) л- . Для того, чтобы определить Р(р иУ (f), достаточно иметь две групп датчиковS распределенных по поверх ности стенки камеры. Пусть в каждо точке R(j на поверхности камеры мы измеряем поток частиц, падающих на стенку с питч-углом ) . В результате мы получаем распределение плотности потока по стейке камеры Ф(Ко Хв(Йо),с). Если мы имеем две группы датчиков, которые орие тированы в соответствии с фуйкциями ).(jj(Ro), то в результате измерений мы получаем два распределения Ф.(Ко) ) RO) и ) f( RO)- Ориентация датчиков в точке Н, т.е. вид зависимостей XOI(RO) и Xo2(Ro) , выбирается следующим образом. Точка на поверхности камеры R и величина Хо опред ляют значение для данной траек™Р™ min-fm-,n(x,).. Выберем ;o(R,) и-x-g CRj,) таким образом, чтобы при измерении R йеличи«3 пм ) RO) менялась мояотонно от о до а. Для этого необходимо провести предварительные численные расчеты с учетом конкретной геометрии первой стенки и величинь полного плазменного тока. Если плазменный ток I . 0,6Оу9 мА, то для ot-частиц удобно использовать пролетные частицы, Х 1 и Хог (для протонов с энергией 17,7 мэВ I Ч 1,2-Ь8 мА). Тогда p(p) , .(%l) .F-. .cV olR e 0 2jimcV dR p(p)pdp 2(«ог) } .L e p . 2лтС- 2лтС-У cJR 1 2 Величина d Vj/dRjj пропорциональна нормальной компоненте полоидального магнитного поля на поверхности камеры и поэтому ее можно считать известной, например, из электромагнитных измерений (в частности для круглой камеры, совпадающей с магнитной noBepXHOctbK Найдем сначала по измеренным зависимостям Ф(Ко) и (RO) распределение ) flj этого выберем такую пару значений RO и Rot , при которой ,(Кс,)Р,Да- сключая из (4) и (5) интеграл, вход5пций в правую часть, и используя (1) и (2), получим три следующих уравнения о.) e аУт 2JmcV dR / L е. УО) V Zlim&V cjRj, / (.} dVmj 2.IMCV dR / ZnmtV dR, ev 2lmcV О alTmcV .) (51 2jTmcV ог ZTTmcV Исключая из этих уравнений R , получаем зависимость V(R) После того, как мы восстановили V(R), зависимость P(j) можно на решая интегральное уравнение Абе (4) или (5), также как это делае при любых хордовых измерениях. При больших значениях плазмен го тока от пролетных частиц с ic у +1 следует перейти к частицан , выходящим на стенку из более глубоких областей плазмы. При произвольных зависимостях -)Ср(Рч Q) и -х. (Кд) процедура восстановления качественно не меняется, однако система управлений для определения (R) оказывается более громоздкой. Зависимости ) ( могут быть рассчитаны заранее и зависят от величины тока в плазме и формы сечения стенки. По экспериментальным кривым ) и Ф2.(Ro) восстанавливаются V(f), Т(р) п(j). Способ позволяет измерять большое число параметров плазмы, а именно: распределение плазменного тока, распределение давления плазмы, не требует использования специальных инжекторов тяжелых ионов, что существенно снижает стоимость диагностики.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ В ТОКАМАКЕ, основанный на измерении распределения потока энергичных термоядерных частиц датчиками, равномерно распределенными по поверхности стенки токамака, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых параметров плазмы, проводят измерения двух потоков частиц, падающих на стенку под двумя разными питч-углами, двумя группами равномерно распределенных по поверхности стенки датчиков и по двум распределениям потоком частиц по поверхности судят о распределении плотности плазменного тока на поверхности стенки и распределении давления плазмы.