Радиационный коллапс

Примеси, рождающиеся при взаимодействии плазмы со стенками реактора, вызывают рост радиационных потерь. Если мощность радиационных потерь превысит мощность источников нагрева, происходит охлаждение плазмы. При этом мощность радиационных потерь еще больше возрастает. Процесс развивается лавинообразно и заканчивается срывом разряда, рекомбинацией и распадом плазмы. Развитие событий по такому сценарию называется радиационным коллапсом.

Радиационные потери энергии из плазмы происходят в результате тормозного, рекомбинационного и линейчатого излучения. Суммарная мощность радиационных потерь пропорциональна плотности плазмы n_e и примеси n_z и удельной мощности радиационных потерь L(Te): .

На Рис.1 показана функция L(Te) для кислорода. Расчет функции L(Te) представляет достаточно сложную задачу. На рисунке представлены результаты нескольких работ, выполненные в различных приближениях.

При очень низкой температуре мощность излучения растет с ростом Те благодаря росту вероятности возбуждения все более высоко лежащих уровней энергии. Одновременно с возбуждением происходит также и ионизация, изменяющая конфигурацию электронной оболочки иона. Наиболее мощно излучают Li, Be и He- подобные ионы. Соответственно, зависимость L(Te) имеет несколько максимумов. Первый самый высокий максимум связан с возбуждением и ионизацией электронов наружной оболочки и находится обычно при Те ~ 20 – 50 эВ. При Te ~ Z² Ry происходит полная ионизация ионов до голого ядра, так что остаются только радиационные потери в результате тормозного и рекомбинационного излучения.

Такой вид функции L(Te) имеет важные качественные следствия.

Первый пик излучения при Те~20 – 50 эВ создает так называемый "радиационный барьер", препятствующий получению высокой температуры в плазме из рабочего газа с большим Z (например, Ne, Ar), или в недостаточно чистых вакуумных условиях.

Спад L(Te) после преодоления "радиационного барьера" служит причиной радиационной неустойчивости: если мощность нагрева превышает потери, температура повышается, это приводит к снижению радиационных потерь и еще большему повышению температура. Температура растет, пока в действие не вступят другие механизмы потерь и не уравновесят избыточную мощность. И наоборот, при превышении радиационных потерь над уровнем мощности нагрева происходит лавинообразное охлаждение плазмы и радиационный коллапс.

Рис. 1. Удельная мощность радиационных потерь L(Te) для кислорода.

Критическую дозу примеси для наступления радиационного коллапса n_z /n_e находят приравнивая мощность радиационных потерь и поток тепла, поступающий на край плазмы из основного объема плазмы за счет теплопроводности: . Это дает . Здесь P_H – мощность нагрева и S – площадь боковой поверхности плазмы. Интеграл берется в пределах от температуры T₀ плазмы у стенки до температуры пьедестала Т_pd ~ 5 – 10 кэВ и практически представляет полную мощность, излучаемую ионом, пока он проходит все стадии ионизации. Величина интеграла слабо зависит от конкретных пределов интегрирования и очень сильно (~ Z³) от максимального заряда ионов примеси Z (Рис. 2).

Рис. 2. Интеграл как функция от заряда ядра примеси Z.

Для расчетов можно аппроксимировать

Вт м³ кэВ (T_pd в кэВ).

Для параметров плазмы реактора ITER P_H = 150 МВт, T_pd = 5 кэВ, n_e = 10²⁰ м^-3, S=800 м² dT/dr=5 кэВ/0.1 м = 50 кэВ/м получается (Таблица 2)

Таблица 2. Критическая концентрация примесей, вызывающая радиационный коллапс плазмы

Атом	C	O	Ne	Ar	Fe	Mo	W
Z
(nz/ne)c %		7.5	3.8	0.6	0.2	0.05	0.01

Отсюда следуют требования к чувствительности и надежности диагностик, контролирующих содержание примесей в краевой области плазмы. В основном режиме работы реактора ITER – Н-моде с регулярными вспышками краевых колебаний, тепловая нагрузка на стенки дивертора местами оказывается на пределе, или даже за пределами возможностей материалов и методов охлаждения. Для решения этой проблемы предполагается инжекция контролируемого количества примесей в виде благородных газов – неона, или аргона. Идея состоит в контролируемом увеличении радиационных потерь на краю плазмы и перераспределения тепловой нагрузки на большую площадь стенок реактора. Опасность радиационного коллапса требует в этих условиях особо тщательного контроля за содержанием и распределением ионов примесей в плазме. С этой целью диагностический комплекс ИТЭРа включает десятки спектрографов и сотни оптических волокон, что позволит проводить измерения в непрерывном режиме с пространственным разрешением ~ 1 см и временным разрешением ~ 10 мс.

Дата добавления: 2014-01-20