Исследования взаимодействия нижнегибридных и электронно-циклотронных волн с плазмой в токамаках

Проблема высокочастотных методов нагрева плазмы является одной из ключевых на пути получения высокотемпературной плазмы. Особенно остро необходимость дополнительного нагрева плазмы электромагнитными волнами возникла при создании в 70х годах тороидальных установок с магнитным удержанием плазмы типа «Токамак» и «Стелларатор», на которых были получены обнадеживающие результаты по удержанию плазмы, и появилась возможность рассматривать проекты термоядерного реактора. Эта необходимость связана с тем, что в установках типа «Токамак» с ростом температуры плазмы эффективность омического нагрева падает и становится недостаточной для достижения температуры, которая требуется для зажигания термоядерной реакции.

В конце 70х годов была найдена и теоретически обоснована еще одна область применения энергии электромагнитных волн в термоядерных установках — создание безындукционного тока в плазме.

В настоящее время разработан проект демонстрационного термоядерного реактора на базе токамака (ITER). Проведенные исследования показали, что одним из уязвимых мест в этом проекте является цикличность работы системы из-за необходимости использования индукционного электрического поля. Цикличность работы токамака-реактора приводит к периодическим колебаниям температуры элементов конструкции, что значительно снижает долговечность установки. В этой связи на второй стадии экспериментов на установке ITER планируются эксперименты с полным замещением индукционного, омического тока током, созданным безындукционными методами. Предполагается использовать три частотных диапазона электромагнитных волн (диапазон электронно-циклотронного резонанса, нижнегибридный диапазон, а также электромагнитные волны с частотами вблизи ионно-циклотронного резонанса и его гармоник). Кроме этого рассматривается возможность генерации тока за счет инжек-ции в плазму пучков нейтральных атомов.

Теоретически и экспериментально показано, что нагрев плазмы и создание в ней безындукционного тока электромагнитными волнами возможен в нескольких диапазонах частот. Данная работа в основном посвящена исследованиям взаимодействия так называемых нижнегибридных (НГ) волн с плазмой в режиме генерации тока и затрагивает вопросы нагрева плазмы электронно-циклотронными (ЭЦ) волнами.

Актуальность работы.

Полученные результаты могут представлять определенный интерес при постановке экспериментов на современных токамаках, а также при интерпретации получаемых в настоящее время экспериментальных результатов. Цикл первых исследований механизмов НГ генерации, проведенный на установке Т-7 и на ряде зарубежных токамаков, показал возможность применения данного метода создания безындукционного тока на установке ITER.

Пели и задачи работы.

1. Получение эффекта генерации ВЧ тока в плазме установки Т-7.

2. Получение режимов с полным замещением индукционного тока ВЧ током, образующимся за счет поглощения замедленных НГ волн, возбуждаемых в плазме излучателем (трехволноводным «грил-лом»).

3. Определение факторов, определяющих оптимальное согласование излучателя замедленных (НГ) волн с плазмой. Получение зависимостей величины НГ тока от плазменных параметров и от параметров ВЧ системы.

4. Определение эффективности генерации НГ тока в плазме установки Т-7.

5. Сравнение полученных экспериментальных данных с выводами квазилинейной теории генерации тока НГ волнами.

Научная новизна.

1. Впервые зарегистрирован эффект образования надтепловых электронов в плазме токамака ТМ-3 за счет поглощения ВЧ энергии в виде замедленных волн диапазона нижнегибридного (НГ) резонанса.

2. Исследовано взаимодействие СВЧ волн с электронами квазилинейного «плато» на электронной функции распределения, создаваемого НГ волнами.

3. Исследована температурная зависимость эффективности генерации НГ тока в диапазоне электронных температур Гв=(1-М)кэВ, которая, как было установлено, имеет тенденцию к росту с увеличением Т. е.

4. Экспериментально показано, что в режимах генерации НГ тока происходит рост времени удержания частиц в плазме.

Научная и практическая ценность.

1. Результаты проведенных исследований НГ генерации тока, в частности рост эффективности генерации с увеличением электронной температуры, представляют интерес при моделировании процессов взаимодействия НГ волн в термоядерной плазме установки ITER.

2. Экспериментально полученный рост времени удержания частиц с одновременным ростом электронной температуры плазмы в режиме генерации НГ тока делает этот метод создания безындукционного тока весьма привлекательным для получения режимов с улучшенным удержанием.

3. Результаты экспериментов представляют практический интерес при определении оптимальных параметров ВЧ системы для установки ITER.

Достоверность и обоснованность результатов, представленных в диссертации, обусловлена большим объемом полученного экспериментального материала, подтверждена сравнением полученных данных с предсказаниями теории, а также находится в хорошем согласии с результатами экспериментов полученных на других установках.

Автор выносит на защиту.

1. Результаты экспериментов, подтверждающие эффект генерации безындукционного тока в плазме установки Т-7 ВЧ мощностью в виде пакета замедленных НГ волн, возбуждаемых излучателем (трехволноводный «грилл»).

2. Зависимость величины и эффективности генерации НГ тока от параметров плазмы и ВЧ системы, в том числе от электронной температуры плазмы.

3. Результаты экспериментов, позволившие провести оценку нижней границы «плато» на функции распределения электронов по продольным скоростям, образующегося за счет взаимодействия электронов с НГ волнами.

4. Сравнение экспериментальных данных с выводами квазилинейной теории генерации НГ тока.

5. Увеличение времени удержания частиц в режимах НГ генерации тока по сравнению с режимами с ЭЦ нагревом плазмы.

Апробация работы.

Результаты исследований вошедших в диссертацию докладывались на 9~ и 11— конференциях по управляемому термоядерному синтезу Международного Агентства по Атомной Энергии (МАГАТЭ) в 1982 и 1986 г.г., на рабочем совещании экспертов МАГАТЭ в 1983 г, на конференции Американского Физического Сообщества в 1988 г.

Результаты экспериментов неоднократно докладывались на научных семинарах Отдела Т ИЯС РНЦ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Списка литературы. Общий объем диссертации составляет 97 страниц, 33 рисунка, список цитируемой литературы содержит 29 работ.

IV.2. Выводы.

1. Показано, что в режимах с относительно низкой концентрацией.

1Ч 1 плазмы (йе<10 см') и сравнимых значениях мощностей, выделяемых в плазме Pjotai эффективности нагрева электронов с помощью ЭЦ и НГ волн приблизительно одинаковы.

2. Установлено, что в исследованных режимах, в отличие от ЭЦР нагрева, НГ нагрев электронной компоненты сопровождается ростом времени удержания частиц в плазменном шнуре.