ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 3, с. 232-239
- СТЕЛЛАРАТОРЫ
УДК 533.916
К ВОПРОСУ ОБ ЭКРАНИРОВКЕ ПОТОКОВ НЕЙТРАЛОВ
В ТОРСАТРОНЕ У-3М © 2015 г. Н. Б. Древаль
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", Институт физики плазмы,
Харьков, Украина e-mail: mdreval@kipt.kharkov.ua Поступила в редакцию 05.05.2014 г.
Окончательный вариант получен 03.07.2014 г.
Объем вакуумной камеры торсатрона У-3М порядка 70 м3, а объем плазмы около 0.3 м3. Наличие огромного буферного объема, которым является камера, формирует существенный поток нейтралов в плазму У-3М. Часть этого потока сталкивается с винтовыми проводниками торсатрона, расположенными перед плазмой. Это модифицирует динамику поступления нейтралов в плазму. Путем численных расчетов оценена экранировка потока молекул из буферного объема камеры в область плазмы. Только порядка 10% налетающего потока попадает в плазменный объем. Оценки показывают, что порядка 20% атомов вылетает из области, ограниченной винтовыми проводниками, без столкновения с ними. В этих условиях винтовые проводники оказывают существенное влияние на поток нейтралов. Рассмотрен режим горячей плазмы малой плотности, создаваемый рамочной антенной. В этом режиме рассчитано пространственное распределение молекулярной концентрации, создаваемой потоком молекул из буферного объема камеры, проходящим через винтовые проводники. Рассмотрен вклад потоков, рожденных на боковой и внутренней поверхностях винтовых проводников. Расчеты показывают, что форма пространственного распределения молекулярной концентрации существенно отличается от формы магнитных поверхностей.
DOI: 10.7868/S0367292115020031
1. ВВЕДЕНИЕ
Для расчетов распределения молекулярной и атомарной концентраций в плазме тороидальных магнитных ловушек используются такие численные коды как EIRENE, DEGAS и т.д. [1—4], базирующиеся на методе Монте-Карло. Этими кодами учитываются различные взаимодействия нейтралов с плазмой и со стенками вакуумной камеры. Другого рода задача возникает в случае, когда между плазмой и стенками камеры расположен значительный вакуумный объем. Это задача экранировки потоков нейтралов из этого бу-
ферного объема проводниками, находящимися перед плазмой. И хотя аккуратное решение подобной задачи требует использования вышеупомянутых кодов, грубые оценки эффектов экранировки можно сделать на основе значительно более простого рассмотрения, которое используется в данной работе. В торсатроне Ураган 3М (l = = 3, м = 9, R0 = 1 м, а ~ 0.12 м) вся магнитная система помещена внутрь большой вакуумной камеры, являющейся буферным объемом для рабочего газа (объем камеры У-3М порядка 70 м3, объем плазмы порядка 0.3 м3). В работе рассматриваются режимы У-3М без дополнительного импульсного напуска газа, в которых создание
плазмы происходит из газа, напущенного в эту камеру до начала разряда. Давление этого газа поддерживается постоянным между разрядами У-3М системой автоматического контроля. Используемое в У-3М давление молекулярного водорода порядка 1 х 10-5 Торр, что соответствует молекулярной концентрации пН2 = 0.35 х 1012 см-3. Ионизация нейтралов с их последующим удержанием в виде плазмы должна приводить к росту плотности плазмы в объеме удержания и падению плотности нейтралов в вакуумном объеме. Это ожидается, если поток заряженных частиц из плазмы на порядки меньше, чем приток нейтралов, в связи с магнитным удержанием плазмы. Поскольку объем удержания У-3М более чем на два порядка меньше объема вакуумной камеры, плотность плазмы при используемых рабочих давлениях должна достигать 1014 см-3 при условии полной ионизации нейтралов и их конверсии в плазму объема удержания. Эксперименты показывают, что среднехордовая плотность плазмы У-3М составляет (0.5-3) х 1012 см-3 в обычно используемых режимах создания плазмы с помощью рамочной ВЧ-антенны [5-7] и не превышает (5-7) х 1012 см-3 в режимах трехполувитковой антенны [5]. В данной работе будем рассматри-
вать только стандартный для У-3М режим горячей плазмы создаваемый рамочной антенной (температура в центре Те = 300—1000 эВ), плотность в котором особенно низка. Огромная разница между реальной и ожидаемой плотностями поднимает вопрос о динамике нейтралов в У-3М, вопрос об их роли в удержании плазмы, а также вопрос об интерпретации данных диагностик плазмы связанных с нейтралами (таких как свечение На или диагностика ионного энергетического распределения по нейтралам перезарядки). Длина свободного пробега молекулы водорода по объему газа при комнатной температуре и рабочем давлении в У-3М больше 10 метров, поэтому характер молекулярных потоков в буферном объеме У-3М базируется на различных взаимодействиях молекул со стенками камеры, таких как прилипание и переотражение. При комнатной температуре средняя тепловая скорость молекулы водорода в одномерном случае составляет 1100 м/с. В одномерном случае при условиях: а) ионизации всех молекул попадающих в объем удержания плазмы; б) отсутствии потока частиц из объема удержания; в) отсутствии препятствий перед объемом удержания (в виде винтовых проводников); г) идеального отражения молекул от внешней стенки время полной ионизации составит порядка 3 мс (расстояние плазма — стенка порядка 1.5 м). В реальных условиях существенная часть молекулярного потока из буферного объема в область удержания столкнется с винтовыми проводниками и их подпорками, что существенно замедлит время полной ионизации. Одной из целей данной работы является оценка степени прозрачности винтовых проводников для молекулярного потока. Так, при беспрепятственном пролете 10% частиц время ионизации в вышеописанных условиях уже будет соизмеримо со временем разряда У-3М в 30—50 мс. Поскольку в рассматриваемом режиме низкоплотной плазмы рамочной антенны среднехордовая плотность плазмы практически не нарастает (после быстрого ее выхода на квазистационар в момент пробоя [5—7]) и на порядки ниже максимально возможной, потеря частиц из области плазмы велика. Одним из каналов потерь частиц является потеря атомов водорода, образованных в плазме при таких процессах как диссоциация молекул, диссоциативная рекомбинация молекулярного иона. В рассматриваемой низкоплотной плазме длина свободного пробега атома водорода больше, чем размер плазмы. Так, она составляет 34 см в случае пробега франк-кондоновских атомов с энергией 3 эВ, которые образуются при диссоциации молекулы в однородной плазме с плотностью 1012 см-3 и при температуре 100 эВ. Она лимитирована сечением перезарядки [3, 8]. Длина свободного пробега горячих атомов, получающихся после перезарядки, тем более существенно больше разме-
ра плазмы. В этих условиях динамика поведения атомов в объеме удержания У-3М будет определяться не столкновениями в плазме, а столкновением со внутренними поверхностями винтовых проводников. В данной работе мы попытаемся оценить степень прозрачности винтовых проводников для атомарного потока из объема удержания. Концентрация атомарного водорода в У-3М является важным параметром установки. В работе [9] ее распределение рассчитывалось числено в цилиндрической модели. В этой модели атомы, скорость которых направлена вдоль оси цилиндра, не вылетают из плазмы, что определяет полученную в этой работе радиальную зависимость плотности атомов. Однако в У-3М атомы вылетают из плазмы практически без столкновений даже при тангенциальном направлении их скорости, поэтому их концентрация не должна зависеть от радиуса. Расчет же абсолютной величины атомарной концентрации требует учета многократных столкновений атомов со стенкой, что выходит за рамки данной работы. Поскольку взаимодействие атома со стенкой носит сложный характер: а) до 70% падающих атомов могут отражаться (в зависимости от угла падения и энергии) [10]; б) мы не знаем, сколько времени находятся в стенке внедрившиеся туда высокоэнергичные атомы; в) какова предварительная степень насыщения стенки водородом; г) молекулярный ли поток рециклинга пойдет со стенки или атомарный в условиях горячей пристеночной плазмы, то вопрос о количественной оценки рециклинга мы не рассматриваем.
В рассматриваемой низкоплотной плазме длина свободного пробега молекулы водорода при комнатной температуре существенно меньше размера плазмы (2.2 см в одномерном случае при температуре плазмы больше 100 эВ и постоянной плотности 1012 см-3). Длина свободного пробега молекулы определяется скоростным коэффициентом (о^ образования молекулярного иона, который существенно больше остальных скоростных коэффициентов и слабо зависит от температуры при температурах 100-500 эВ [3, 8]. В условиях малых длин пробега форму молекулярного потока в плазме формируют винтовые проводники У-3М. В данной работе делаются оценки пространственного распределения молекулярной концентрации в плазме на базе двумерных расчетов ослабления формируемых винтовыми проводниками не изотропных потоков.
2. ПРОЗРАЧНОСТЬ ВИНТОВЫХ ПРОВОДНИКОВ ДЛЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО ПОТОКА
Рассматриваемое сечение винтовых проводников трехзаходного торсатрона У-3М (называе-
70 80 90 100 110 120 130 70 80 90 100 110 120 130
R,, см
Рис. 1. Полоидальное сечение Г—Г с магнитными поверхностями, аппроксимирующими сечения винтовых проводников лучами и окружностью. а) — Траектории исходящие из одной точки базовой окружности и проходящие без столкновения в плазменный объем; б) — траектории, стартующие из точки боковой поверхности винтового проводника и попадающие в базовый объем.
мое Г—Г) показано на рис. 1 [11—13]. Описываемые расчеты проводились в этом сечении. Для точного решения задачи об экранировании молекулярного потока винтовыми проводниками в условиях бесстолкновительного пролета молекул по газу необходимо решать задачу взаимодействия молекул со всеми стенками вакуумной камеры. Мы претендуем только на оценки. Поскольку расстояние от стенок до винтовых проводников больше 1 м, отражение носит диффузный характер из-за шероховатостей, поэтому сделаем упрощение, предположив, что налетающий на винтовые проводники поток изотропен. Тогда достаточно рассмотреть поток, исходящий из каждой точки окружности, касающейся внешней
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.