Φαινόμενα σκέδασης σε μέσα με ανισοτροπία και ανομοιογένεια με εφαρμογές στην ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη

Abstract

Controlled thermonuclear fusion is developed in order to replace the sources used up today for electrical power, since it is less environmentally effective. Fusion reactors are constructed by synthesizing complex in design subsystems. The gyrotron is one of the reactor’s subsystems which provides the power for the heating of the plasma core. Parasitic oscillations are developed in the gyrotron’s beam tunnel and its efficiency is decreased. The effect of the parasitic oscillations is studied for design which contain addition of lossy materials the beam tunnel. The propagation of the radiation form the gyrotron to the plasma core may be affected by the presence of density fluctuations. Two commercially available simulation software were used for all the simulations. Specifically, the beam tunnel structure of continuous radius was simulated. The dielectric properties of the lossy inserts were considered to be lower than those of SiC. The quality factor and the parameter R/Q were calculated. The R/Q parameter was used as characterization factor for the beam-wave interaction. The simulations considered modes that are propagated in the opposite direction of the electrons from the source. The plasma dielectric properties were calculated based on the time dependency of the simulation software. Cases with circular design step and Gaussian density distributions were simulated as well as scattering from a sinusoidally modulated interface. Electron Cyclotron and Lower Hybrid modes were considered for cases with and without collisions in the calculations of the dielectric tensor.

Η ελεγχόμενη πυρηνική σύντηξη αναπτύσσεται με στόχο την αντικατάσταση των πηγών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που υπάρχουν μέχρι σήμερα, καθώς τα παράγωγα της είναι λιγότερα ρυπογόνα. Οι αντιδραστήρες σύντηξης αποτελούνται από πολλά και πολύπλοκα σε σχεδίαση υποσυστήματα. Ένα από αυτά τα υποσυστήματα είναι το γυροτρόνιο που αποτελεί την κύρια πηγή μικροκυματικής ακτινοβολίας για τη θέρμανση του πυρήνα του πλάσματος στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Μέρος του γυροτρονίου είναι ο δίαυλος δέσμης. Στο δίαυλο δέσμης αναπτύσσονται παρασιτικές ταλαντώσεις που μπορούν να μειώσουν την απόδοση του. Μελετάτε η επίδραση που μπορεί να έχουν οι παρασιτικές ταλαντώσεις στη δέσμη ηλεκτρονίων στην περίπτωση εφαρμογής υλικών με απώλειες στο δίαυλο. Στη συνέχεια, γίνεται μελέτη για τα φαινόμενα που αναπτύσσονται κατά τη διάδοση της ακτινοβολίας προς το κέντρο του πυρήνα του πλάσματος για περιπτώσεις κατά τις οποίες η πυκνότητα του πλάσματος παρουσιάζει ανομοιογένειες. Εμπορικά διαθέσιμα προγράμματα χρησιμοποιήθηκαν για την εκτέλεση των προσομοιώσεων. Ειδικότερα, προσομοιώθηκε δίαυλος δέσμης συνεχούς ακτίνας με προσθήκες από υλικά που έχουν διηλεκτρικές σταθερές μικρότερες από το SiC. Υπολογίστηκαν ο συντελεστής ποιότητας καθώς και η παράμετρος R/Q που χρησιμοποιείται ως μέτρο της έντασης της αλληλεπίδρασης δέσμης-κύματος για ρυθμούς που διαδίδονται αντίθετα με τη κίνηση των ηλεκτρονίων από την πηγή. Για τη μελέτη των φαινομένων σκέδασης σε πλάσμα υπολογίστηκε η εξίσωση διασποράς με βάση τη χρονική εξάρτηση του επιλύτη προγράμματος. Προσομοιώθηκαν περιπτώσεις στις οποίες το περιβάλλον πλάσμα περιέχει μία κυκλική περιοχή με αυξημένη πυκνότητα πλάσματος, γκαουσιαννή κατανομή πυκνότητας πλάσματος και σκέδαση από ημιτονοειδής διαμορφωμένη επιφάνεια. Μελετήθηκαν Electron Cyclotron και Lower Hybrid ρυθμοί με και χωρίς συγκρούσεις κατά τον υπολογισμό της διηλεκτρικής σταθεράς.