Эффективность поглощения электромагнитных волн в стеллараторе "Ливень-2" при электронно-циклотронном резонансе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Российская Академия Наук ^ I 5Ин<ЭД|тут Общей Физики

На правах рукописи

Ликин Константин Михайлович

УДК 533.951.7

Эффективность поглощения электромагнитных волн в стеллараторе „Ливень-2" при электронно-циклотронном резонансе.

(Специальность: 01.04.08 - физика и химия плазмы)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук.

Москва, 1994

Работа выполнена в Институте общей физики РАН, г.Москва.

Научные руководители: доктор физико-математических наук Г.М. Батанов,

кандидат физико-математических наук К.А. Сарксян.

V

Официальные оппоненты:докгор физико-математических наук Е.В.Суворов,

доктор физико-математических наук А.А.Сковорода.

Ведущая организация: Университет Дружбы Народов (кафедра физики), г.Москва

/г

Защита состоится " 1994 г. в ' часов

на заседании Специализированного учёного совета Д.003.49.03 по адресу: 117942, г.Москва, ул.Вавилова, 38, Институт общей физики РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

Автореферат разослан ' _1994 г.

Учёный секретарь

специализированного учёного совета, доктор физико-математических наух, профессор

НАИрисова

Актуальность темы. Электронно-циклотронный (ЭЦ) метод создания и

\

нагрева плазмы занимает одно из ведущих мест среди других методов в физических исследованиях проблемы зажигания и коь зля реакции управляемого термоядерного синтеза (УТС). Результаты исследований на современных термоядерных установках показывают, что в будущем ЭЦ метод будет широко применяться для пробоя нейтрального газа и получения "мишенной" плазмы; последующего её нагрева с одновременным применением других методов; поддержания стационарного тока а токамак-реакторе; подавления неустойчивостей плазменного шнура и формирования поофилл температурьГ плазмы.

Исследования циклотронного поглощения электромагнитных волн в плазме в полосе основного гирорезонанса электронов и его второй гармоники проводились на стеллараторв Л-2 и одновременно в других странах на крупнейших стеллараторах, а именно,: в США - на торсатроне ATF, в ФРГ - на стеллараторах W-7A и W-7AS, в Японии - на стоппараторах Н-Е и CHS.

При подготовке и проведении экспериментов возникает острая необходимость в (1) предсказании основных свойств электронно-циклотронного нагрева (ЭЦН) плазмы в реальной геометрии конкретной установки; (2) определении схем и условий, оптимальных для эффективного поглощения СВЧ мощности и нагрева плазмы; (3) объяснении характерных особенностей ЭЦН на данной установке. Для расчетов переноса тепла в плазме необходимо также знать профиль энерговыделения. Всо эти задачи можно решить при помощи численного моделирования эксперимента.

На стеллараторе Л-2 эксперименты по электронно-циклотронному нагреву плазмы проводились в различных условиях, а имонно,: как при частичном поглощении СВЧ мощности, так и при её полном поглощении за один проход плазменного шнура. Поглощённая СВЧ мощность в плазме стелларатора Л-2 может определяться по изменению производной диамагнитного сигнала в момент выключения СВЧ мощности. Полный коэффициент поглощения (0,3 - 0,4), измеренный этим методом в

экспериментах с обыкновенной волной на частоте основного гирорезонанса, оказался далее меньша расчетного коэффициента (0,5 - 0,6) поглощения этой волны за один проход плазменного шнура. В другой схеме нагрева, а именно, при вводе необыкновенной волны на второй циклотронной гармонике; полный коэффициент поглощения, полученный из диамагнитных сигналов, не изменился по сравнению с эффективностью поглощения обыкновенной волны, а расчёты предсказывали почти двухкратное увеличение коэффициента однопроходного поглощения, а именно, до (0,9 - 0,99). вопрос об эффективности поглощения в стеллараторе Л-2 оставался открытым.

При подведении энергетического баланса и корректного определения энергетического времени жизни плазмы необходимо определить общий коэффициент поглощения СВЧ мощности, а для сравнения теории и эксперимента важно определить коэффициент однопроходного поглощения, так как модель расчёта лучевых траекторий и циклотронного поглощения вдоль них хорошо разработана для первого прохода греющей волны чероз плазменный шнур.

Для повышения эффективности электронно-циклотронного нагреиа плазмы необходимо разработать и подготовить линии передачи СВЧ мощности от генератора до плазмы, которые бы обладали высоким коэффициентом передачи и оптимальными параметрами волны, инжектируемой в плазму.

Цель и метод исследований. Цель работы состояла в повышении эффективности нагрева плазмы в стеллараторе Л-2 путйм комплексной оптимизации как параметров инжектируемой волны, так и условий поглощения СВЧ мощности а плазме при электронно-циклотронном резонансе.

Оптимизация условий поглощения электромагнитных волн в плазме стелларатора Л-2 проведена при помощи численного моделирования. В экспериментах для получения оптимальных •./параметров СВЧ пучка ■ (поляризации, расходимости, линейных размеров, угла ввода) и условий

эффективного поглощения СВЧ мощности о плазма использовались хорошо

N

разработанные методы измерения интенсивности электромагнитных волн.

• Научная нозизна и достоверность результатов. Особ ,-юсть работы заключается в том, что задача повышения аффективное™ электронно-циклотронного нагрева плазмы в стеллараторе Л-2 решена комплексно. Перед началом экспериментов были определены оптимальные, с точки зрения эффективного поглощения СВЧ мощности, параметры плазмы в сложной геометрии стелларатора Л-2 с помощью 3* мерного численного года. Получены основные функциональные зависимости коэффициента поглощения от параметров плазменного разряда. На стеллараторе Л-2 впервые были применены квазиоптические линии с высоким козффициентом передачи для транспортировки и вводу в плазму мощного элетромагнитного излучонип гиротрона в. экспериментах по электронно-циклотронному нагреву. В экспериментах режимы эффективного нагрева плазмы стеллараторе Л-2 были получоны при помощи СВЧ диагностики.

Достоверность результатов численных расчётов подтверждается их совпадением о результатами тестовы:; расчётов по численному коду, составленному для расчетов поглощения а стеллараторе АТг и адаптированному к Л-2, и совпадением с измерениями, проведенных хорощо разработанными и достаточно точными методами. Достоверность экспериментальных данных подтверждается широким набором фактического материала, полученной статистикой и хорошей их повторяемостью.

Практическая значимость. Результаты данной работы использовались при расчете профиля темпэратуры электронов и ионов при СЦ нагреве п стелларатора Л-2. Разработанный численный под мэиет служить осносой для разрабогки модели рас ютов поглощения в услотн.;х искажения максзелловской функции распределения электронов по энергиям.

Созданы квазиоптические линии с высоким коэффициентом для передачи мощных СВЧ пучков и их вводу в плазму стелларатора Л-2.

На стеллараторе Л-2 создана СВЧ диагностика для измерения эффективности поглощения электромагнитных волн в плазме. Метод, используемый в данной диагностике, является одним из самых простых и надёжных.

Апробация работы и публикации.

Материалы настоящей диссертационной работы докладывались на семинарах отдела физики плазмы ИОФ РАН, международном семинаре по ВЧ нагреву плазмы (Москва, 1988), на 15ой , 16ой и 17ой Европейских конференций по УТС и нагреву плазмы (Дубровник, 1988 г.; Венеция, 1989 г.; Амстердам, 1990 г.), и AIP конференции «ВЧ мощность в плазме" (Чарлестон, 1991).

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [ 1 -12

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения, содержит 119 страниц текста, 53 графика, рисунка и фотографии, список литературы содержит 130 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАбОТЫ.

• Работа включает три основные темы: 1 - модель и численные расчёты ЭЦ поглощения электромагнитных волн в плазме стелларатора Л-2; 2 - линии передачи СВЧ мощности от гиротрона до стелларатора: 3 - эксперименты по ЭЦН на стеллараторе Л-2.

В первой главе дана характеристика ЭЦ метода, а именно, описывается состояние дел в области ЭЦН на данный момент, т.е. в первую главу, по сути, включен сбзор литературы, описывающей модели расчётов распространения и логлощения электромагнитных волн в плазме в условиях электронно-циклотронного резонанса, результаты экспериментов на современных установках и проекты экспериментов по ЭЦН иа стеллараторах нового поколения. В параграфе 1.1 отмечены основные свойства, достоинства и преимущества метода ЭЦН по сравнению с другими методами создания и нагреза плазмы. В параграфе 1.2 подробно рассматриваются схемы, условия и результаты экспериментов по ЭЦН на стеллараторах и токамаках Т-10 и Dill-D.

б

Показано, что плотность СВЧ мощности в плазме стелларатора Л-2 может

ч '«

достигать рекордных значений (десятки В./см3). Ожидается, что такие высокие плотности энерговыделения в электронном канале будет леть место в термоядерных реакторах. Следовательно, эксперименты по ОЦН в стелларатора Л-2 нацелены на исследования характерных черт электронной компоненты в термоядерных реакторах. В параграфе 1.3 приводится описание модели расчЭта распространения и поглощения электромагнитных волн в плазме стелларатора Л-2, а параграф 1.4 включает в себя модель расчета рассеяния греющей волны на низкочастотных флуктуациях плотности плазмы.

Во второй главе приводятся результаты исследований передающих линий и антенн для ввода мощных СВЧ волн а плазму с целью ЭЦ нагрева Для передачи электромагнитных волн большой мощности (до 1 МВт) применяют всшноаоды круглого сечения и квазиоптические линии. 8 экспэримантах по ЭЦН источниками электромагнитных эолн большой мощности в миллиметровом диапазоне длин ' волн служат гиротроны. Наибольшее распространение в мире получили гиротроны фирмы .Varían" (США) и отечественного производства компании „ГИКОМ". Гиротроны фирмы .Varían" имеют на. выходе, как правило, волноводную моду, длп транспортировки которой применяют волноводы. В параграфе II. 1 приводятся результаты исследований волноводных линий, применяемых для ЭЦН на современных термоядерных установках. Протяженные полноводные тракты (30 - 50 м) имеют достаточно высокий коэффициент передачи (не менее 0,8). Так как применяются сьерхразмерные волноводы, приходится приниматс> специальные меры (использовать преобразователи мод, фильтры, достаточно точно юстировать элементы и т.д.) для сохранения структуры волны при транспортировке и вводу мощности в плазму. Кроме того, а волноводах могут возникать надпробойные напряженности электрического поля, что требует их пакуумирования или заполнения специальным газом под давлением. В параграфе II. 1 рассматриваются квазиоптические линии передачи мощности от гиротронов до плазмы. Исследования, проведённые на стелларатора Л-2,

показывают, что кваэиоптические тракты имеют высокий коэффициент передачи и лучшие параметры инжектируемой волны по сравнению с волноводами с точки зрения аффективного ЭЦ нагрева плазмы. Коэффициент передачи зеркальных линий, применяемых для ЭЦ нагрева плазмы в стеллараторе Л-2, близок к 90%. при этом потери, в основном, связаны с излучением выходной мощности гиротрона в боковые лепестки. .

В третьей главе описаны основные параметры стелларатора Л-2. Рассмотрены основная магнитная конфигурация и конфигурация, в которой амплитуда первой винтовой гармоники в два раза меньше, чем в основной конфигурации.

Четвёртая глава включает результаты численного моделирования. В параграфе IV.1 приводится описание модели расчёта распространения и поглощения электромагнитных волн в плазме в приближении геометрической оптики и линейной теории, а в параграфах IV.2, IV.3, IV.4 приведены результаты расчётов лучевых траекторий и поглощения обыкновенной волны на первой гармонике и необыкновенной волны на второй гармонике. Расчёты проведены с помощью Замерного кода с учётом сложной геометрии плазмы и структуры магнитного поля стелларатора Л-2. Определены параметры плазмы, оптимальные для эффективного поглощения СВЧ мощности в стеллараторе Л-2, а именно: для обыкновенной волны на первой гармонике В„ = (13,3-13,4) кГс, ft. 0,75-10" см-', Т. > 1 кэВ; для необыкновенной волны на второй гармонике В0 =» (13,3-13,4) кГс, = 1,35-10'3 см3, Т, > 0,4 кэВ. Расчётный коэффициент однопроходного поглощения обыкновенной волны равен 0,74, а необыкновенной волны - 0,99 при Т. (0) = 1 кэВ. При оптимальных параметрах и вводимой СВЧ мощности 150 кВт ширина профиля энерговыделения равна Дг0« 0,6 ар с плотностью в центре плазмы 3,5 Вт/см3 для обыкновенной волны и Дг„ = 0.3-Эр с плотностью 38 Вт/см3 для необыкновенной волны. • Исследования поглощения электромагнитных bo/ih в полосе основного гирорезонанса электронов и его второй гармоники в магнитной конфигурации,

а которой амплитуда первой винтовой гармоники вдвое меньше, показали, что

g

коэффициент однопроходного поглощения близок к значениям, полученными в основной магнитной конфигурации, а уширение профиля энерговыделения о плазме с одинаковыми средними концентрациями связано с увеличением поперечных размеров плазменного шнура. Омический ток, протекающий по плазме стелларатора П-2, не влияет на эффективность поглощения, в то же время профиль энерговыделения смещается к периферии плазмы (примерно на 1-1,5 см) из-за смещения её центра. Для увеличения коэффициента однопроходного поглощения можно .прицелиться" в .седло" магнитного поля т.е., выбрать угол инжекции таким образом, чтобы ось пучка попала в область с малым градиентом модуля магнитного гголя, однако профиль поглощения для этого случая будет несколько шире из-за большей рефракции лучей. Для определения поглощения на втором проходе плазменного шнура в численный код была включена модель расчёта лучевых траекторий, зеркально отразившихся от гладкой внутренней поверхности вакуумной камеры. Для обыкновенной волны второй проход лучей увеличивает общую эффективность поглощения на 10% от мощности, непоглощйнной на первом проходе. Чтобы выяснить влияние низкочастотных колебаний плотности плазмы на коэффициент и профиль поглощения СВЧ волн, в численных расчётах применялась модель, учитывающая рассеяние лучей на регулярных плазменных структурах. Показано, что флуктуации плотности плазмы с относительными уровнями колебаний вплоть до 0,1 не влияют заметно на профиль и эффективность поглощения. При уровнях флуктуаций, превышающих 0,1, сильное влияние на поглощение СВЧтаощности оказывают только колебания в центральных областях (г i 0,5 а,,), так как на периферии сечение рассеяния не велико из-за малости абсолютного значения плотности плазмы.

В пятую главу вошли результаты экспериментов по ЭЦН на стеллараторв П-2 и данные измерений поглощения СВЧ волн в плазме по ослаблению электромагнитной волны, прошедшей через плазменный шнур, и по затуханию непоглотившейся на первом проходе СВЧ мощности вдоль тора. В

параграфе V.1 приводится описание и результаты исследований квазиоптических линий для транспортировки и ввойу СВЧ мощности в плазму стелларатора Л-2. Показано, что зеркальные линии имеют высокий коэффициент передачи (не менее 0,9), и оптимальные, с точки зрения эффективного нагрева, параметры инжектируемого в плазму волнового пучка (поляризацию, расходимость, линейные размеры). Квазиоптические линии более просты в изготовлении и настройке. Последнее зеркало фокусирует волновой пучок в центр вакуумной камеры ( диаметр пучка -5 см ) и позволяет изменять угон его падения на плазму стелларатора Л-2 в пределах ±3". Параметры волнового пучка, инжектируемого в плазму, можно достаточно точно смоделировать в численных расчётах, что в свою очередь облегчает сравнение результатов расчётов и результатов измерений эффективности поглощения. В параграфе V.2 рассматривается методика измерений коэффициента поглощения греющей волны на первом проходе плазменного шнура и длины затухания СВЧ мощности вдоль периметра тора Измерения были сделаны при помощи приёмных антенн, расположенных как в сечении ввода СВЧ мощности, так и в других сечениях. В параграфе V.3 рассмотрены условия экспериментов по ЭЦ нагреву плазмы с омическим током и экспериментов по созданию Сестоковой плазмы и-её последующего нагрева СВЧ мощностью, в которых были проведены измерения эффективности поглощения электромагнитных волн. В параграфах V.4 и V.5 приводятся результаты измерений коэффициента однопроходного поглощения, и длины затухания вдоль периметра тора обыкновенной и необыкновенной волн. Коэффициент однопроходного поглощения обыкновенной boj мы на первой циклотронной гармонике составляет (0,5 ± 0,1), а полное затухание имеет место на длине 0,8 метра вдоль периметра стелларатора. ^Необыкновенная волна на второй гармонике поглощается практически полностью «а первом проходе плазмы, коэффициент однопроходного поглощения равен (0,9 ± 0,1). Резонансный нагрев электронов осуществляется обыкновенной волной в узком интервале значений магнитного поля (13,35*0,05) кГс, отстройка в больших

10 . 1

пределах приводит к . сильному уменьшению поглощения. Для необыкновенной волны на второй гармонике линия эффективного поглощения значительно шире, а именно, (13,4±0,4 кГс). В параграфе \Л6 приводятся результаты сравнения численных расчётов и экспериментальных данных, которые показывают, что они находятся в хорошем согласии. Отмэчено, что имеется сильное расхождение (в 1,5-2 раза) в величинах эффективности поглощения электромагнитных волн в плазме стелларатора Л-2, полученных из диамагнитных измерений и СВЧ измерений.

В Заключении сформулированы основные результаты данной работы: 1. Разработан трехмерный численный код для расчета распространения и поглощения электромагнитных волн в плазме стелларатора Л-2, при помощи которого определены оптимальные условия эффективного поглощения волн и получены функциональные; зависимости коэффициента поглощения от осмоаных параметров плазменного разряда. Получены следующие параметры плазмы, оптимальные для эффективного поглощения СВЧ мощности в стеллараторе Л-2,: для обыкновенной волны на первой гармонике В0 = (13,313,4) кГс, п„ = 0,75-10'* см3, Т, > 1 кэВ; для необыкновенной волны на второй гармоника В0 = (13,3-13,4) кГс, = 1,35-Ю13 см-3, Т, > 0,4 кэВ. Расчётный коэффициент однопроходного поглощения обыкновенной волны равен 0,74, а необыкновенной волны - 0,99 при температуре электронов 1 кэВ.

2 Получен высокий коэффициент передачи (не менее 0,9) мощных СВЧ пучков ( сотен кВт ) по квазиоптическим пиниям. Падающий на плазму волновой пучок имел линейную поляризацию и гауссовое распределение интенсивности о характерным размером 5 см. Благодаря фокусировке в камере стелларатора Л-2 получона высокая плотность СВЧ мощности (до 20 кВт/смг).

3. Экспериментально исследованы зависимости коэффициента поглощения СВЧ мощности от параметров плазмы в различных режимах работы стелларатора Л-2. При резонансном значении магнитного поля СВЧ мощность, инжектируемая в камеру стелларатора, полностью поглощается плазмой. Обыкновенная волна на первой гармонике имеет коэффициент

и

однопроходного поглощения 0,5, а непоглощенная часть мощности поглощается за несколько проходов плазменного "шнура в пределах 0,8 м вдоль тора от сечения ей ввода. Энергия необыкновенной волны на второй гармонике выделяется в плазме за один проход плазменного шнура непосредственно в области инжекции СВЧ мощности в камеру стелларатора.

4. Результаты численных расчётов поглощения электромагнитных волн в плазме стелларатора Л-2, проведённых в приближении линейной теории, и данные измерений коэффициента поглощения при помощи СВЧ методов совпадают с точностью 10%.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации.

1. Batanov G.M., Kolik L.V., Likin К.М, et.al. Power transmission lines used for plasma heating in L-2 stellarator. Preprint №35, M.: General Physics Institute, 1091,14 p.

2. Llkin K.M., Ochirov B.D., K;vortsova N.N. Епэгду deposition profiles cf simulations of the ECRH in the L-2 stellarator. Proc.15th EPS conference on Contr. Fusion and Plasma Heating, Dubrovnik, 198e, 12В, II, pp.451-454.

3. Likin K.M., Ochirov B.D. Influence of density fluctuations on energy deposition profile during ЕСЯН in L-2 stellarator. Proc.16th EPS conference on Contr. Fusion and Plasma Heating, Venice, 1989,13В, II, pp.659-662.

4. Likin K.M., Ochirov B.D. Ray tracing during ЕСПН by X-wave at the second harmonic of Юсе in tfio L-2 stellarator. Proc.17th EPS conference on Contr. Fusion and Plasma Heating, Amsterdam, 1990,14В, II, pp.467-468.

5. Пикт; (СМ., Очиров Б.Д. Чиспонные расчеты эффективности ЭЦ нагрева плазмы о стеллараторе Л-2. Труды ИОФАН, т.31, Стеллараторы, 1:Наука, 1991, сс.62-72.

6. Ликин К.М., Очиров Б.Д. Численные расчеты эффективности ЭЦ нагрева плазмы в стеллараторе Л-2. Препринт ИОФАН №45, М., 1991, 33 с.

7. Ликин К.М., Очиров Б.Д. Лучевые траектории и поглощение СВЧ волн при ЭЦ нагреве плглмы в стеллараторе Л-2. Физика плазмы, 18 (1992), 1, сс.81 -89.

8. Ликин К.М.,. О.чироа Б.Д. Влияние флуктуаций плотности плазмы на поглощение обыкновенной волны при ЭЦ нагреве плазмы в стеллвраторе Л-2. Физика плазмы, 18 (1992), 1, сс.75-80.

9. R.C.Goldfingor, D.K.Lea, ICM.Likin, B.D.Ochirov. Ray tracing and absorption of electron cyclotron waves in the L-2 stellarator. Nucl. Fusion, 31 (1991), 12, pp.2305-2313.

10. R.C.Goldfinger, K.M.Likin, B.D.Ochirov. Ray tracing and absorption of electron cyclotron waves in the L-2 stellarator. Radio Frequency Power in Plasmas (Proc. AIP conf., Charleston, SC, 1991), New York: AIP, Proc.244, pp.33-3G.

11. K-M.Likin, G.M.Batapov, LV.Kolik, et.al. Absorption efficiency of X-wave during ECRH at the second han,ionic of (Он, in L-2 stollarator. Proc. 17th EPS conference on Plasma Phys. and Contr. Fusion, Amsterdam, 1990,14B, P.ll, pp.469-470.

12. Батанов Г.М., Колик Л.В., Ликин К.М. и др. Поглощенно СВЧ волн при ЭЦ нагреве плазмы в стеллараторе Л-2. Физика плазмы, 18 (1992), 1, сс.64-74.

Содержание.

стр.

Введение. 3

Глава I. Характеристика метода ЭЦН. ю

1.1 Основные свойства ЭЦН. 10

1.2 Эксперименты по ЭЦН. 12

1.3 Распространение и поглощение электромагнитных волн в плазме на частотах электронно-циклотронного резонанса. 22

1.4 Рассеяние СВЧ волн на низкочастотных флуктуациях

плотности плазмы. 28

Глава II. Линии передачи СЬ ■ мощности для ЭЦН. 32

11.1 Сверхразмерные волноводы. 32

11.2 Квазиоптические линии. 37

Глава III. Параметры стелларатора "Ливень-2". 40 Глава IV. Численное моделирование распространения и

поглощения СВЧ волн в плазме стелларатора Л-2. 42

IV.1 Модель расчётов. 42

IV.2 Первая гармоника. Обыкновенная волна. 45 IV.3 Флуктуации плотности плазмы и поглощение

обыкновенной волны на первой гармонике. 58

IV. 4 Вторая гармоника. Необыкновенная волна. 62 Выводы к главе IV. 68

Глава V. Эксперименты по ЭЦН на стелпараторе Л-2. 70

V. 1 Квазиоптические линии передачи СВЧ мощности. 71 V.2 Методика измерений поглощения СВЧ мощности в плазме. 78 V.3 Условия экспериментов. вЗ V.4 Циклотронное поглощение О-волны на первой гармонике. . 89 V.5 Циклотронное поглощение Х-волны на второй гармонике. 91 V.6 Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования. 97 Выводы к главе V. 103

Заключение. 104

Список цитированной литературы. 107

( ■