Ионный циклотронный нагрев плазмы быстрой магнитозвуковой волной в стеллараторе Л-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

,¡8 ОД

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

^ 'ИЛОП ЮШ^ТИТУТ ОВД® ФИЗИКИ

На правах рукописи уда 533.951

МЕЩЕРЯКОВ Алексей Иванович

ИОННЫЙ ЦИКЛОТРОННЫЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ БЫСТРОЙ МАГНИТОЗВУКОВОЙ ВОЛНОЙ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2.

(специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наж

Москва 1993

Работа выполнена в Институте общей физике Российской

Академии Наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук С.Е.Гребенщиков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Н.В.Иванов

доктор фа ко-математических наук С.В.Мирнов

Ведущая организация: »изико-технический институт

им.А.Ф.Иоффе РАН, Санкт Петербург

Защита состоится "27 " сентября 1993г.

в " 15 " часов на заседании Специализированного ученого совета Д 003.49.03 Института общей физика РАН по адресу: 117942, г.Москва, ул.Вавилова,38, Институт общей физики РАН.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института общей физики Российской Академии Наук.

Автореферат разослан " 27 " августа 1933г.

Учений секретарь Специализированного ученого совета, д. ф.-м. н., проф.

с/^Р'-^ -Н.А.Ирисова

о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В последнее время в исследованиях горячей плазмы в замкнутых магнитных ловушках, к которым относятся токамаки и стеллараторы, достигнут значительный прогрес. Эти исследования направлены на осуществление управляемой термоядерной реакции.

В токамаках в удержании и нагреве плазмы важную роль играет протекащий по плазме квазистационарный ток. Однако, доспи®низ температур плазмы, необходимых для протекания термоядерных реакций, за счет одного только омического нагрева, связанного с пропусканием квазистационарного тока через плазму, невозможно. Поэтому широкое развитие получили исследования так, называемых дополнительных методов нагрева. Среди них. одно из ведущих мест занимают методы ВЧ нагрева, основанные на излучении волн в диалозоне частот ионного циклотронного резонанса и поглощении их энергии частицами плазмы.

Наиболее успешные эксперименты по ионному циклотронному нагреву плазмы были выполнены с помощью быстрых магнитозвуковых волн. Они эффективно возбуждаются в плотной плазме полои-гльной антенной. Быстрые магнитозвуковые волны слабо поглощаются в условиях цпслотронного резонанса, так как при приближении частоты волны к циклотронной изменяется ее поляризация, и левополяризованная компонента электрического поля волны, которая вращается в ту же сторону, что и ионы пл мы, и отвечает за их нагрев, становится очень малойс 1].

В настоящее время используют три наиболее эффективных механизма поглощения энергии волны: режим малой добавки, режим конверсии мод, агрев на второй гармонике ионного циклотронного

резонанса.

В режиме малой добавки БМЗ волна распространяется в дейтериевой плазме, в которую для усиления эффекта поглощения волны добавляют небольшое количество водорода н или гелия „не.

О

Если частота волнн соответствует ионной циклотронной частоте добавки то БМЗ волна поглощается ионами добавки, а затем анергия передается основной массе плазмы за счет кулоновских столкновений. Нагрев плазмы в режиме малой добавки с успехом использовался на токамаках [2].

При увеличении концентрации добавки по сравнению с оптимальной эффективность циклотронного поглощения падает, однако ионы добавки начинают влиять на дисперсию волн. Между резонансными поверхностями для каждой компоненты плазмы появляется поверхность ион-ионного гибридного резонанса, где показатель преломления БМЗ волны сильно возрастает. В области ион-ионного гибридного резонанса происходит конверсия БМЗ волны в медленную, которая затем поглощается как на электронах, так и на ионах плазмы в области ионного циклотронного резонанса. Эта схема нагрева получила название режим конверсии мод [3].

Нагрев плазмы на второй гармонике ионной циклотронной частоты является переспективным для реактора и больших термоядерных установок, так как в горячей плазме БМЗ волны испытывают достаточно сильное циклотронное поглощение ( для токамака реактора оптическая толщина плазменного столба т=/1ю(кг)аг будет больше единицы [I]). В небольших установках, к которым относится и стелларатор Л-2, этот механизм не может обеспечить аффективный нагрев.

Большой интерес представляет возможность проверить на

стеллараторах те способы нагрева, которые с успехом применяются на токамаках и показали высокую эффективность, а именно, нагрев дейтериевой плазмы с добавкой водорода БМЗ волнами в режимах малой добавки и конверсии мод.

Применение дополнительных методов нагрева в стеллараторах имеет большое значение, так как в этих установках возможно удержание плазмы без тока омического нагрева, только за счет токов во внешних проводниках. Применение дополнительных методов нагрева в стеллараторах открывает возможность создания стационарного термоядерного реактора.

На стеллараторах методы ИЦР нагрева плазмы теоретически и экспериментально изучены гораздо слабее, чем на токамаках. ?то,в частности, относится и к методам нагрева, которые используют быстрые магнитозвуковые волны. Непосредственное перенесение результатов экспериментов по ИЦР нагреву на токамаках на случай стеллараторов является не корректным в силу существег чго отличия структуры магнитных полей в этих двух типах замкнутых магнитных ловушек.

Однако более важным для стеллараторного направления является получение и нагрев Сестоковой плазмы, что может приблизить возможность осуществления стационарной работы стелларатора. Эксперименты по ИЦР нагреву бестоксвой плазмы с помощью БМЗВ в режима конверсии мод были проведены на стеллараторе н-е [5]. Здесь плазма создавалась с помощью СВЧ излучения на частоте электронного циклотронного резонанса и затем на стационарной стадии разряда включался импульс ИЦР нагрева. Таким образом,эксперименты на стеллараторах Л-2 и н-в показали, что ИЦР нагрев с помощью БМЗВ режиме конверсии . мод

может быть с успехом использован на стеллараторах- как в токовом, так и в бестоковом режиме.

Целью настоящей работы является применение в стелЛараторе тех методов ионного циклотронного нагрева плазмы, которые показали высокую эффективность в экспериментах на токамаках, а именно, нагрев дейтериевой плазмы с добавков водорода быстрой магнитозвуковой волной в режиме конверсии мод, а так»б- изучение схемы, ранее не применявшейся для нагрева плазмы в тороидальных ловушках: нагрев . водородной плазмы на частоте ионного циклотронного резонанса с помощью БМЗ волн.

Для того, чтобы выполнить поставленную задачу автором был разработан и создав комплекс аппаратуры по ИЦР нагреву плазмы, состоящий из 'накопителя анергии, генератора и набора антенн, смонтированных в камере стелларатора. Для исследования возбуждаемых в плазме волн автором была создана диагностика для определения фазовой скорости и длины затухания плазменных волн, а также измеритель сопротивления излучения антенны, основанный на выделении падапцей и отраженной волн.

Научная новизна и значимость работы.

Проведенные нами эксперименты показали, что эффективность нагрева дейтериевой плазмы с добавкой водорода примерно такая же как и на токамаках, то есть данную схему с успехом может быть применена для нагрева ионной компаненты плазмы в стеллараторе.

Впервые осуществлен аффективный нагрев водородной плазмы на . частоте ионного циклотронного резонанса. Эффективность нагрева

водородной плазмы на частоте ионного циклотронного резонанса оказалась выше по сравнению с нагревом дейтериевой плазмы. Однако нам не удалось однозначно выяснить, какой механизм отвечает за нагрев ионов в центре плазмы, поэтому требуются * дополнительные эксперименты прежде, чем можно будет рекомендовать этот метод нагрева для применения на других тороидальных магнитных ловушках.

Аппробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на II Международной конференции по физике плазмы и УТС (Киото 1986), на 10 и II Европейских конференциях по физике плазмы и УТС (Москва 1981, Аахен 1983), на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС в Звенигороде (1982,1985), а тага» на семинарах отдела физики плазмы ИОФ РАН.

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в жу гале "Физика плазмы", в сборнике "Труды ИОФАН", в трудах международных и всесоюзных конференций,а также в виде препринтов ИОФАН.

Структура и обьем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения в списка цитируемой литературы. Она содержит 118 страниц машинописного текста. 38 рисунков, 3 таблицы и список литературы, включащий 77 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении кратко сформулированы актуальность тем», научная.и практическая значимость выполненной работы, обоснована . постановка задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации представлен обзор наследований ионных циклотронных методов нагрева плазмы. Особое внимание удэлоно применению быстрых магнитозвуковых волн для нагрева плазмы а также экспериментам по ИЦР, нагреву плазмы в стеялараторах.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, влекентов системы ВЧ нагрева и диагностик, используемых на. стеллараторе Л-2. Представлено описание Диагностик для измерения фазовой скорости и длины затухания возбуждаемых волн а также диагностики измерения сопротивления излучения, основанной на выделении падающей и отраженной волн в фадеро, соедишшцем генератор с антенной.

Много внимания уделено согласованию элементов комплекса по частотам ( система имеет три резонансных э.гчмонта со своей собственной частотой: контур генератора, ВЧ фидеры и контур антенны ) и по величине нагрузочного сопротивления, с целью получения максимальной мощности излучаемой антенной. Приведено также несколько способов подавления генерации на паразитных частотах.

В третьей .-главе приведены результаты исследования ИЦР пагрева дейтериевой плазмы с добавкой водорода ШЗ волнами в режиме конверсии нод. Плазма создавалась током омического нагрева я на стационарной стадии разряда включался ВЧ нагрев. Исследовано распространение п затухание ВО волк в дейтериевой плазме. Приведена экспериментальная зависимость продольного волнового числа возбуздаемых в плазме воли от средней плотности плазмы. Дано сравнение экспериментальной и расчетной спектральных кривых.

Приведена измерёяная зависимость длины затухания быстрых нагннтозвуковых волн от величины магнитного поля. Данная зависимость характерна для тороидальной плазш для режима конверсии мод. На основании сравнения экспериментальных данных полученных на токамаках и на стеллараторэ Л-2 сделан вывод о том, что затухание ШЗ волн в дейтериевой плазме с добавкой водорода связано с конверсией этих волн в медленные волны.

В качестве результирующей кривой, по которой определялась эффективность нагрева, приведена зависимость прироста центральной ионной температуры за время ИЦР нагрева от поглощаемой плазмой мощности.

Отмечено, что размерный коэффициент эффективности нагрева: т)=Ат«п /Р . зависит от параметров установки ( обьем пладаа в

© ADS

установке, энергетическое время жизни ). Поэтому приведено сравнение с токамаками, которые не сильно отличаются от стелларатора Л-2 по размерам.

В четвертой главе приведены результаты исследований распространения и затухания БЫЗ волн в водородной плазме . на

частоте ионного циклотронного резонанса. Определен спектр возбуждаемых в плазме БМЗ волн. Приведена 'зависимость продольного волнового числа от плотности плазма.* Измеренные спектральные кривые в зависимость длины затухания от магнитного поля сравниваются с результатами численных расчетов. Отмечен ряд особенностей дисперсионной кривой при возбуждении БМЗВ в стеллараторе. А именно различие фазовой скорости двух волн распространяющихся в двух направлениях по обходу тора. Обнаружены условия, когда быстрая магнитозвуковвя волна распространяется только в одном направлении та тору.

Расчет дисперсионной кривой выполнен в циллиндрической геометрии с аксиальносимметричными параметрами плазмы в рамках магнитной гидродинамики в приближении холодной бе с столкновительной плазмы, при наличии двух компонент внешнего магнитного поля, продольной и азимутальной. Сравнение расчетных и экспериментальных спектральных кривых показало, что представление плазмы стелларатора в виде циллиндрического столба не дает количественного и качественного согласия. Выдвинуто предположение, что различие фазовых скоростей волн распространяющихся в двух направлениях по обходу по тору связано с сильной пространственной неоднородностью плазмы. Для того, чтобы учесть этот эффект необходимо получить решение в трехмерной геометрии.

Измеренная зависимость длины затухания БМЗ волн от величины магнитного поля сравнивается с расчетной, учитывающей конверсию БМЗ волн в медленные волны в области перпендикулярного ионного циклотронного резонанса. Хорошее согласив теоретической и экспериментальной зависимостей позволяет выдвинуть предположение

о том, что сильное затухание ШЗ волн в водородной плазме на частоте ионного циклотронного резонанса связано с конверсией-их в медленные волны.

В пятой главе приведены результаты ИЦР нагрева водородной плазмы па частоте ионного циклотронного резонанса. Плазма предварительно создавалась и нагревалась током омического нагрева. Радиальное распределение , ионной температуры и зависимость центральной ионной температура от магнитного поля свидетельствуют о циклотронном механизма нагрева ионов. Экспериментальные данные показывают, что нагрев не ногет осуществляться за счет поглощений анергии ВУЗ волны, что находится в соответствии с теоретическими представлениями.

Окончательно выяснить механизм нагрева ионов в центральных областях плазмы автору не удалось. Существует по крайней мере две гипотезы не противоречащие экспериментальным данным. Согласно одной из них ЕМЗ волны трансформируются в медленные волны, которые затем движутся в центр плазмы и там поглощаются в области ионного циклотронного резонанса. Вторая гаготизр была выдвинута ранее П.Е.Норозом [б], согласно которой антенна непосредственно излучает медленные волны с большими продольными волновыми числами, которые движутся в центр плазменного столба и там поглощаются ионами за счет циклотронного механизма.

В заключении кратко обобщены основные результаты диссертации и сформулированы вывода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ ДИССЕРТАЦИИ.

В диссертации поставлена и решена задача о применимости для стелларатора метода ионного циклотронного нагрева дейтериэвой" плазмы с добавкой водорода быстрыми магнитозвуковыш Еолнама. Этот метод нагрева использовался ранее на токемаках, и праменешга его в стэллараторах отк|шает возможность . создания стационарного термоядерного реактора.

Показана возможность иониого цшслотрснного нагрева водородной плазмы быстрыми нагнитозвуковыми волнами па частоте ионного циклотронного резонанса, доказавшая, что существовавшие ранее теоретические представления о дисперсии и циклотронном поглощении быстрых ыагнитозвуковых волн в ограниченной плазме требуют уточнения.

• Основные" результаты диссертации можно сформулировать следующим образом:

I. Использование метода ионною циклотронного нагрева дейтериевой плазмы с добавкой водорода быстрыми магнитозвуковыми волнами в стеллараторе Л-2 позволило осуществить нагрев ионов дейтерия с эффективностью 1.5 эВ/кВт для средней плотности плазмы по=1019м"3, примерно с той же эффективностью, что и в токамаках.

Исследовано возбуждение и затухание быстрых магнитозвуковых волн в плазме стелларатора с плотностью п < 2*1018м~3. На основании полученной зависимости длины затухания от величины магнитного толя сделан выводо том, что механизм затухания

этих волн связан с их конверсией в зоне ион-ионного гибридного

резонанса.

2. Впервые осуществлен эффективный нагрев водородной плазмы на частоте ионного циклотронного резонанса, что находится в противоречии с существовавшими теоретическими представления}ги[1]. Эффективность нагрева в этих экспериментах составила величину т) = 2-4 эВ/КВт для средней плотности плазма п =1018м~3, что выше

X о

эффективности нагрева дейтериевой плазмы с добавкой водорода.

Исследовано возбуждение и затухание быстрых ыагнитозвуковых волн в водородной плазме стелларатора с плотностью П(5< 2*1019м~3. Выдвинуто цредположение о том, что затухание этих волн связано с их конверсией в медленные волны.

3. Для возбуждения быстрых магнитозвуковых волн в плазме стелларатора, создан комплекс аппаратуры, состоящий из генератора, полоидальных токовых антенн и накопителя энергии.

Для исследования возбуздения и затухания этих волн в п зш создал ряд магнитных зондов, что позволило проводить измерения фазовой скорости и длины затухания при распространении этих волн вдоль тора.

4. Обнаружена зависимость продольного волнового числа быстра магнитозвуковых волны от направления распространения вдоль тора. В диссертации выдвинуто предположение, что эта зависимость связана с винтовой неоднородностью плотности плазмы в стеллараторе Л-2.

Основные результаты настоящей работы, вошедшие з диссептацию, опубликованы в работах:

1. V.A.Batyuk, H.A.Blokh, S.E.Grebenshohikov, et all -Keating of hydrogen plasna on the first harnonic of ion cyclotron frequency in L-2 Stellarator. Proo. 11th Europ. Conf. г-1 Controlled Fusion and Plasna Phys.,Aachen 1963, Part 1, C14, p;373-31в.

2. V.A.Batyuk, S.K.Grebenshohikov, I.A.Kovan, et all -First experisents on ion-oyclotroi. plasna heating - on L-2 Stellarator. Proc. 10th Europ. Conf. on Controlled Fusion and Plasna Phys..Moscow 1981, Vol.2, E-1S, p.148.

3. V.A.Batyuk, S.U.Grebenshohikov, l.A.Kovan, et al. ICO plasna heating in L-2 Stellarator. Proc. 3rd Joint Varenna-Grenoble International' Synposiun, Grenoble 1982, Vol.1, p. 273-283.

4. V.A.Batyuk, S.E.Grebenshohikov, A.I.Heshcheryakov et al. Fast Have'Eigennodes in the L-2 Stellarator during ICR plasna heating. Proo. 11th Int. Conf. on Plasna Phys. and Controlled Nuclear Fusion Research, IAEA, Kyoto 1086, Vol.2, p.486-487.

5. В.А.Батюс, Г.С.Воронов, Е.Ф.Гиппиус и др. Исследование нагрева плазмы в стеллараторе ЛГ-2 на первой гармонике ионно-цшслотронной частоты. Физика плазмы, 1987 Том 13, Вып. 3, с.269-267.

6. В.А.Батш, С.Е.Гребенщиков, И.А.Кован и др. Комплекс аппаратуры для ИЦР нагрева плазмы в стеллараторе Л-2. Препринт ИОФАН, 1985, «16, 20 с.

7. В.А.Батик, С.Е.Гребенщиков, А.И.Мещеряков и др. Собственные моды в стеллараторе Л-2 при ИЦР нагреве. Препринт ИОФАН, 1966, » 352, 18 с.

8. В.А.Батек, А.И.Мещеряков. Измерение сопротивления излучения антенн в водородной плазме на частоте ионного циклотронного резонанса. Препринт ИОФАН, 1987, Я 10, 17 с.

9. В.А.Батюк, С.Е.Гребенщиков, И.А.Кован и др. ИЦР нагрев плазмы в стеллараторе Л-2. Материалы 3е® Всесоюзной Школы-КовВеренции -Современные методы магнитного удержания, нагрева и диагностики плазмы". Харьков 1982, часть I, с. 62-54.

10. С.Е.Гребвныциков, ¿.И.Мещеряков, И.С.Сбитникова и др. ИЦР нагрев дейтериевой плазмы с малой добавкой водорода в стеллараторе Л-2. Труды ИОФАН, Том 31 Стеллараторы, сЛ30.

11. А.И.Мещеряков. Исследование распространения и затухания БМЗ волн в стеллараторе Л-2. Труды ИОФАН, Том 31 Стеллараторы, с.142-151.

12. S.В.Grebenschlkov, A. I .Hescheryakov, I .S.Sbitnikova, et al. Study of FMS Have propagation and danplng and ICR Heatii in L-2 Stsllarator, Proo. 8th Stellarator Workshop, Kharkov,1891, p.215-218.

Литература

1. Лонгинов А.В., Степанов К.С. О высокочастотном нагреве неоднородной плазмы. Препринт ХФТИ-72-I, Харьков 1972, 31 с.

2. O.F.H.Start, V.Bhatnagar, M.Bures, et all, High Eleotron and Ion Teeperitures produced in JET by ICRH and Neutral Bean Heating,- Proc. 15th Burop. Conf. on Controlled Fusion and Plasna Heating, Dubrovnic, 1986, V.

3. gqlpe TFR, ICRH Heating and Antenna Coupling Studies in TFR, Proo. 3rd Joint Varenna-Grenoble Int. Synp., Grenoble 1982, V.l.p. 225-242.

4. T.Hutoh, H.Okada, O-Kotojina, et al. ICRF Heating of Currentleaa Plasna in Heleotron E, Nucl. Fus.,1984, Vol.24, Hub.8, p.1003-1012.

Б. П.Е.Мороз, Альфеновский резонанс при ИЦР нагреве. Препринт ИОФАН, Л 170 1986, 18 с.