Modelowanie transportu plazmy i zanieczyszczeń tokamaku

• Autorzy: Zagórski R.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy dyskutowane są zagadnienia związane z transportem plazmy i zanieczyszczeń w urządzeniach tokamak. Przedstawiono modele matematyczno-fizyczne opisujące zachowanie się jonów wodoru, jonów zanieczyszczeń oraz składnika gazowego w różnych obszarach tokamaka: obszarze brzegowym i centralnym. Prezentowany jest również całościowy model dynamiki plazmy i domieszek w tokamaku, uwzględniający sprzężenie pomiędzy plazmą brzegową i centralną. Opis plazmy brzegowej oparty jest na klasycznych wielopłynowych równaniach MHD Braginskiego. Równania te zapisane są w realnej, krzywoliniowej geometrii powierzchni magnetycznych tokamaka i uzupełnione są o układ równań opisujący prądy dryfowe w tokamaku. W modelu uwzględniono procesy atomowe towarzyszące oddziaływaniu plazmy z atomami i jonami zanieczyszczeń oraz w sposób samouzgodniony włączono zjawiska wybijania jonów zanieczyszczeń z płyt diwertora/limitera oraz proces recyrkulacji jonów wodoru w obszarze brzegowym plazmy. W celu rozwiązania równań modelu skonstruowany został kod numeryczny EPIT symulujący transport jonów plazmy i zanieczyszczeń w warstwie przyściennej tokamaka. W pracy prezentowane są obliczenia dla tokamaków FTU, TEXTOR oraz ITER. Do opisu dynamiki zanieczyszczeń w centrum sznura plazmowego tokamaka zastosowano wielopłynowy model transportu opisujący w sposób niezależny radialny transport poszczególnych jonów domieszki z uwzględnieniem efektu dyfuzji neoklasycznej i anomalnej. Opracowano efektywny kod numeryczny RIT służący do rozwiązania równań modelu. W pracy przedstawiono również samouzgodniony model opisujący transport plazmy i zanieczyszczeń, zarówno w obszarze brzegowym, jak i centralnym tokamaka. Opracowany model z jednej strony jest wystarczająco prosty i pozwala na otrzymanie rozwiązania w rozsądnym czasie komputerowym, a z drugiej strony uwzględnia większość istotnych procesów fizycznych określających dynamikę wyładowania w tokamaku. Do opisu plazmy brzegowej zastosowano model jednowymiarowy uwzględniający zmianę parametrów plazmy wzdłuż linii sił pola. W przybliżeniu cząstki próbnej, możliwe jest określenie rozwiązań analitycznych zarówno dla plazmy wodorowej, jak i domieszek. Analityczny model dla plazmy brzegowej połączony został modelem opisującym plazmę w centrum sznura plazmowego. W modelu dla plazmy centralnej założono, że profile parametrów plazmy są zadane, zaś czas utrzymania energetycznego plazmy jest określony z półempirycznych praw skalowania. Do rozwiązania równań modelu opracowano kody numeryczne FTUZERO oraz BILDIV. Przeprowadzono obliczenia dla tokamaka FTU oraz projektów przyszłościowych reaktorów termojądrowych: tokamaków IGNITOR i ITER.

Słowa kluczowe

PL

fizyka plazmy; magnetyzm; mechanika gazów; metody numeryczne

EN

plasma physics; magnetism

• Wydawca: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Czasopismo: Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Rocznik: 1998
• Tom: nr 5
• Strony: 1--149
• Opis fizyczny: Bibliogr. 124 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zagórski R.

• Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy 00-908 Warszawa, ul. Hery 23

Bibliografia

• [1] F. ALLADIO, M. L. APICELLA, G. A. APRUZZESE, R. BARTIROMO M. BORRA et al. Plasma Phys. Contr. Fusion, vol.36, No.l2B (1994) B253-B261.
• [2] F. ALLADIO, M. L. APICELLA, G. A. APRUZZESE, R. BARTIROMO M. BORRA et al. Global particle balance and local particle transport in the Frascati Tokamak Upgrade. In Proceedings of the IAEA Fifteenth International Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion Research, Seville, Spain, 26 Sept. - 1 Oct. 1994.
• [3] F. ALLADIO, M. L. APICELLA. G. A. APRUZZESE, R. BARTIROMO M. BORRA et al. High Z material operationin FTU. In Proceedings of the ICTP Conference, Brasile, 1995.
• [4] M. L. APICELLA, G. A. APRUZZESE, M. BORRA, G. BRACCO et al. AW. Fusion, vol.37, No.3 (1996) 381-396.
• [5] M. L. APICELLA, R. BARTIROMO, V. PERIGOLI RIDOLFINI, L. PIERONI, R. ZAGORSKI et al. Plasma Phys. Contr. Fusion, vol.39 (1997) 1153-1167.
• [6] N. ASAKURA et al. J. Nucl. Mat., vol.241-243 (1997) 559.
• [7] N. ASAKURA, K. SHIMIZU, H. SHIRAI, Y. KOIDE, and T. TAKIZUKA. Plasma Phys. Contr. Fusion, vol.39 (1997) 1294-1314.
• [8] R. AYMAR et al. Iter project: A physics and technology experiment. volume IAEA-CN-64/01-1, Montreal,Canada, 7-11 October 1996. 16th IAEA Fusion Energy Conference.
• [9[ R BARTIROMO, I.CONDREA, R.DE ANGELIS, M.LEIGHEB, F.ROMANELLI, and R.ZAGORSKI. Nucl. Fusion, vol.35, No.10 (1995).
• [10] B. BECKER. Nucl. Fusion, vol.35 (1995) 969.
• [11] T.A. BEU et al. Comp. Phys. Cornmun., vol.36 (1985) 161.
• [12] B.La BOMBARD and B. LIPSCHULTZ. Nucl. Fusion, vol.27 (1987) 81.
• [13] K. BORRAS et al. Nucl. Fusion, vol.33 (1993) 63.
• [14] B.J. BRAAMS. Contrib. Plasma Phys., vol.36, No.2/3 (1996) 276-281.
• [15] G. BRACCO. private information, 1993.
• [16] S.I. BRAGINSKI.J. Rev. Plasma Phys, vol.l (1965) 205.
• [17] M. CIOTTI, C. FERRO, G. FRANZONI, G. MADDALUNO and FTU Team. Heat fluxes and energy balance in the FTU machine, In Proc. 20th Europ. Conf. on Contivllnl Fusion and Plasma Phys., European Physical Society, volume 17C, Part 11, Lisbon, 1993
• [18] R. CHODURA. Contrib. Plasma Phys., vol.28 (1988) 303.
• [19] H.A. CLAASSEN and H. GERHAUSER. A numerical study of plasma profiles in the limiter shadow region of a tokamak. In Proc. 12th Europ. Conf. on Controlled Fusion and Plasma Phys., volume 2, page 464, EPS, Budapest, June 1985.
• [20] H.A. CLAASSEN and H. GERHAUSER. J. Fuel. Mat., vol.176-177 (1990) 721.
• [21] H.A. CLAASSEN and H. GERHAUSER. Contrib. Plasma Phys., vol.36, No.2/3 (1996) 361-365.
• [22] H.A. CLAASSEN, H. GERHAUSER, and B. MOHAMEDED. 2D model calculations of carbon density and radiation profiles within the minor cross-section of TEXTOR. Technical Report JUL-3058, Report of KFA Juelich, May 1995.
• [23] H.A. CLAASSEN, H. GERHAUSER. In Proc. 18th Europ. Conf. on Controlled Fusion and Plasma Phys., volume 3, page 1013, EPS, Berlin, 1991.
• [24] H.A. CLAASSEN, H. GERHAUSER and R.N. EL-SHARIF. Longitudinal transport coefficients of a magnetized plasma consisting of hydrogen and a single impurity element in arbitrary populated charge states. Technical Report July-2-423, Institute of Plasma Physics, Juelich, 1991.
• [25] B. COPPI, M. NASSI, and L.E. SUCIYAMA. Physica Scripta, vol.45 (1992) 112-132.
• [26] D.P. COSTER et al. J. Nucl. Mat., vol.241-24.3 (1997) 690.
• [27] D.P. COSTER, R. SCHNEIDER, and J. NEUHAUSER. Contrib. Plasma Phys., vol.36, No.2/3 (1996) 150-160.
• [28] The ITER Director. Iter design options developments. Technical report, The Third Meeting of the Technology Advisory Committee, Naka (Japan), 9-11 September 1993.
• [29] Yu.N. DNIESTROVSKI and D P. KOSTOMAROV. Matematicheskoie Model,rovanie Plazmy. NAUKA, Moskwa, 1982. in Russian.
• [30] H.W. DRAWIN. The application of atomic and molecular physics in fusion plasma dia-gnostic, Technical Report IPPJ-AM-61, 1PP, Nagoya, Japan, 1988.
• [31] W. ENGELHARDT and W. FENEBERG. J. Nucl. Mat., vol.77-78 (1978) 518.
• [32] C. FERRO et al. Technical Report RT/ERG/FUS/94/14, Frascati Energy Research Center, Frascati, Italy. 1994.
• [33] A.A. GALEEV and R. SAGDEEV. Z.E.T.F., vol.53 (1967) 348.
• [34] P.J. HARBOUR et al. Technical Report EUR XII-324/7 NET EUR 324, BRUSSELS, 1982-1983.
• [35] J. HAWRYLUK et al. Nucl. Fusion, vol. 19 (1979) 607.
• [36] R.D. HAZELTINE, E.P. LEE and M.N. ROSENBLUTH. Phys. Fluids, vol.14 (1971) 361.
• [37] W.A. HOULBERG et al. Nucl Fusion, vol.22 (1982) 925.
• [38] Yu. L. IGITKHANOV et al. ID self-consistent description of the scrape-off layer plasma with impurities. Technical Report 4217/8, Kurchatov Intitute of Atomic Energy, Moscow, 1985. in Russian.
• [39] Yu.L. IGITKHANOV. Description of an arbitrary level impurities in the scrape-off to- kamak plasma. In Proceedings of the Ifth EPS Conf. on CFPP, volume 2, page 760, Madrid, 22-26 June 1987.
• [40] J. JACKUINOT. Fus. Eng. and Design, vol.30 (1995) 67.
• [41] G. JANESCHITZ. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 73.
• [42] G. JANESCHITZ et al. Iter divertor, and pumping and fueling system design, volume IAEA-CN-64-F2, Montreal, Canada, 7-11 October 1996. 16th IAEA Fusion Energy Con-ference.
• [43] JET joint undertaking annual report. Technical Report EUR 15723-EN-C (EUR JET AR16), JET, 1993.
• [44] JET joint undertaking progress report. Technical Report 15722-EN-C (EUR-JET-PR11). JET, 1993.
• [45] D.L. BOOK J.P. BORIS. J. Comp. Phys., vol.11 (1973) 38.
• [46] D A. KNOLL et al. Phys. Plasmas, vol.3 (1996) 2930.
• [47] N.A. KRALL and A.W. TRIVELPIECE. Fizyka Plazmy. PWN, Warszawa, 1979.
• [48] A S. KUKUSHKIN. Contrib. Plasma Phys., vol.34, No.2/3 (1994) 282.
• [49] A S. KUKUSHKIN. J. Nucl. Mat., vol.241-243 (1997) 268.
• [50] K. LACKNER et al. Z. Naturforsch., vol.37A (1982) 931.
• [51] M. LEIGHEB, V. PERICOLI. and R. ZAGORSKI. J Nucl. Mat., vol.241-243 (1997) 914-918.
• [52] P C. LIEWER. Nucl. Fusion, vol.25 (1985) 543.
• [53] B. LIPSCHULTZ. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 50.
• [54] B. LIPSCHULTZ. J. Nucl. Mat., vol.241-243 (1997) 771.
• [55] M.A. MAHDAVI. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 13.
• [56] J. MANDREKAS et al. Nucl. Fusion, vol.36, No.7 (1996) 917.
• [57] J. MANDREKAS and W.M. STACEY. Nucl. Fusion, vol.35, No.7 (1995) 843.
• [58] J. MANDREKAS, W.M. STACEY, and F.A. KELY. Contrib. Plasma Phys., vol.36, No.2/3 (1996) 245-249.
• [59] F. DE MARCO et al. Plasma Phys., No.3 (1982) 257.
• [60] K. MATSUOKA, H. YAMADA, H. IGUCHI, et al. Plasma Phys. Contr. Fusion, vol.34, No. 13 (1992) 1909-1915.
• [61] G.F. MATTHEWS et al. J. Nucl. Mat., vol.241-243 (1997) A3.
• [62] J. NEUHAUSERet al. Nucl. Fusion, vol.24 (1984) 39.
• [63] J. NEUHAUSER and R. SCHNEIDER. Iter divertor modelling and database expert group workshop. Technical Report SCX MI 8 95-11-22 Fl, JAF.RI, Naka,Japan, October 16-20 1995.
• [64] M. NGAMI. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 3.
• [65] R.R. PARKER. Contrib. Plasma Phys., vol.34 (1994) 422.
• [66] M. PETRAVIC et al. Contrib. Plasma Phys., vol.34. No.2/3 (1994) 380.
• [67] V. PERICOLI RIDOLFINI. R. ZAGORSKI, F. CRISANT1, G. GRANUCI, G. MAZI TELLI. et al. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 218-222.
• [68] G.S. PITCHER et al. J Nucl Mat., vol.241 243 (1997) 696.
• [69] A. POSPIESZCZYK. Phys. Plasmas, vol.2 (1995) 2272.
• [70] D.E. POST and R. BEHRISH, editors. Physics of Plasma -Wall Interactions in Controlled Fusion, volume 131 of NATO ASI Series B: Physics. Plenum Press, New York, 1986.
• [71] D.E. POST, B.J. BRAAMS, J. MANDREKAS, W. STACEY, and N. PUTVINSKAYA. Contrib. Plasma Phys., vol.36. No.2/3 (1996) 240-244.
• [72] D.E. POST et al. Atomic Data and Nucl. Data Tables, vol.20 (1977) 397.
• [73] D.E. POST et al. Iter physics. ITER Documentation Series 21, IAEA, Vienna, 1991.
• [74] D. POTTER. Computational Physics. John Wiley & Sons, London, 1973.
• [75] S. PUTVINSKI et al. Iter physics, volume IAEA-CN-64-F1. Montreal, Canada. 7-11 October 1996. 16th IAEA Fusion Energy Conference.
• [76] P.H. REBUT. Fus. Eng. and Design, vol.27 (1985) 3.
• [77] P.H. REBUT. Fus. Eng. and Design, vol.30 (1995) 85.
• [78] R.D. RICHTMYER. Difference Methods for Initial Value Problems. Interscience Publi shers, t967.
• [79] K.U. RIEMANN. Contrib. Plasma Phys., vol.34, No.2/3 (1994) 127-132.
• [80] P.J. ROACHE. Computational Fluids Dynamics. Hermosa Publishers, Albuquerque, 1976.
• [81] T.D. ROGNLIEN. Contrib. Plasma Phys., vol.36, No.2/3 (1996) 105.
• [82] A. RUSSEL and A. HULSE. Nuclear Technology/Fusion, vol.3 (1983) 259.
• [83] P H. RUTHERFORD. Phys. Fluids, vol.17 (1974) 1732.
• [84] U. SAMM, P. BOGEN, G. ESSEV, J.D. HEY, et al. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 25-35.
• [85] R. SCHNEIDER et al. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 1076.
• [86] R. SIMONINI et al. J. Nucl. Mat., vol.196-198 (1992) 369.
• [87] R. SIMONINI et al. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 1086.
• [88] C.E. SINGER et al. Comp. Phys. Commun., vol.49 (1988) 275.
• [89] P.C. STANGEBY. Contrib. Plasma Phys., vol.28, No.4/5 (1988) 509.
• [90] P.C. STANGEBY and J.D. ELDER. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 193-197.
• [91] P C. STANGEBY et al. Nucl. Fusion, vol.32 (1992) 2079.
• [92] P.C. STANGEBY and G.M. MCCRACKEN. Nucl. Fusion, vol.30, No.7 (1990) 1225.
• [93] A. TARDITI et al. Contrib. Plasma Phys.. vol.36. No.2/3 (1996) 132-135.
• [94] T. TAZIMA et al. Nucl. Fusion, vol.17 (1977) 419.
• [95] F. TROYON et al. Nucl. Fusion, vol.25 (1985) 1635.
• [96] G. VELARDE, J.M. MARTINEZ-VAL, E. MINGUEZ, and J.M. PERLADO, editors. Ad¬vances in Laser Interactions with Matter and Inertial Fusion. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 1997.
• [97] G. VELARDE, Y. RONEN, and J.M. MARTINEZ-VAL, editors. Nuclear Fusion by Inertial Confinement. A Comprehensive Treatise. C.R.C. Press, Inc., 1993.
• [98] E.L. VOLD et al. Nucl. Fusion, vol.32, No.8 (1992) 1433.
• [99] E.L. VOLD, A.K. PRINJA, F. NAJMABADI, and R.W. CONN. J. Nucl. Mat., vol.176-177 (1990) 570-577.
• [100] E. L. VOLD, A.K. PRINJA, F. NAJMABADI. and R.W. CONN. Fusion Technology. vol.32 (1992) 208-226.
• [101] M L. WATKINS and P.H. REBUT, volume 2, page 731, Innsbruck, 1992. 19th European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics.
• [102] U. WENZEL et al. J. Nucl. Mat., vol.241-243 (1997) B26.
• [103] J. WESSON. Tokamaks. Clarendon Press, Oxford, 1987.
• [104] F. WISING, D A. KNOLL, S.I. KRASHENINNIKOV, T.D. ROGNLIEN, and D.J. SIGMAR. Contrib. Plasma Phys., vol.36, No.2/3 (1996) 309-313.
• [105] Y. YAMAMURA et al. Angular dependance of sputtering yields of raonoatomic solids. Technical Report IPPJ-AM 26, Inst, of Plasma Physics, Nagoya Univ., Japan, 1983.
• [106] P.N. YUSHMANOV. Nucl. Fusion, vol.30 (1990) 1999.
• [107] R. ZAGÓRSKI. Analiza Transportu plazmy i zanieczyszczeh w obszarze przysciennym tokamaka. Rozprawa Doktorska, Inst.of Nucl.Problems, Otwock-Swierk, 1992.
• [108] R. ZAGÓRSKI. Numerical modelling of the FT-tokamak edge plasma. Technical Report RT/NUCL/92/19, ENEA C.R.E-Frascati, Frascati, Italy, 1992.
• [109] R. ZAGÓRSKI. J. Nucl. Mat., vol.220-222 (1995) 1081-1085.
• [110] R. ZAGÓRSKI. J. Tech. Phys., vol.36, No.3 (1995) 279-298.
• [111] R. ZAGÓRSKI. Numerical modelling of boundary plasma in tokamaks. In Proc. Symp. Investigations and applications of plasma PLASMA '95, volume 2, page 167, Warsaw, 1995. Plasma Phys. Sec., Committee of Phys., Polish Acad. Sci.
• [112] R. ZAGÓRSKI. Contrib. Plasma Phys., vol.36, No.2/3 (1996) 288-292.
• [113] R. ZAGÓRSKI. J. Tech. Phys.. vol.37, No.l (1996) 7-37.
• [114] R. ZAGÓRSKI. A review of progress towards radiative divertor. Technical Report RT/ERG/FUS/96/23, ENEA-Frascati Energy Research Center, Rome, Italy, 1997.
• [115] R. ZAGÓRSKI. J. Tech. Phys., vol.38, No.l (1997) 43-58.
• [116] R. ZAGÓRSKI and M. KOLANOWSKI. Atomic processes in the tokamak scrape off layer. Technical Report 8/1/86, 1PP&LM, Warsaw, 1985.
• [117] R ZAGÓRSKI, S. KULIŃSKI, and M. SCHOLZ. Physica Scripta, vol.56 (1997) 399-406.
• [118] R. ZAGORSKI, V. PERICOLI, and L. PIERONI. Contrib. Plasma Phys., vol.34, No.2/3 (1994) 446-471.
• [119] R. ZAGÓRSKI and F. ROMANELLI. Contrib. Plasma Phys., vol.36, No. 2/3 (1996) 145-149.
• [120] R ZAGÓRSKI and F. ROMANELLI. Contrib. Plasma Phys., vol.34, No.2/3 (1994) 331-336.
• [121] R. ZAGÓRSKI. V. PERIC'OLI, and L. PIERONI. Contnb. Plasma Phys., vol.36, No.2/3 (1996) 140-144.
• [122] R. ZAGÓRSKI and F. ROMANELLI. Nucl Fusion, vol.36, No.7 (1996) 853.
• [123] R. ZAGÓRSKI. F. ROMANELLI and L. PIERONI. Nucl. Fusion, vol.36, No.7 (1996) 873.
• [124] S.T. ZALESAK. J. Comp. Phys., vol.31 (1979) 335.