Исследование режимов удержания плазмы в сферическом токамаке Глобус-М методом томсоновского рассеяния лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

005057187

На правах рукописи

Курскиев Глеб Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ В СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М МЕТОДОМ ТОМСОНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 3 ДЕК 2012

Санкт-Петербург

2012

005057187

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Научный руководитель Гусев В.К., доктор физико-

математических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник.

Официальные оппоненты: Афанасьев В. И., доктор физико-

математических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Люблин Б.В., кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник НИИЭФА им. Ефремова

Ведущая организация Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки институт общей физики им. A.M. Прохорова российской академии наук.

Защита состоится «27» декабря 2012г. в 14:00 на заседании Диссертационного Совета Д002.205.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук по адресу 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Автореферат разослан «22» ноября 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Кандидат физико-математических наук

Красильщиков A.M.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы диссертации.

Диссертация посвящена актуальной проблеме термоизоляции плазменного шнура сферического токамака. Работа выполнена на компактном сферическом токамаке Глобус-М [1].

Для увеличения эффективности работы токамака требуется создание хорошей термоизоляции плазменного шнура. Как известно, термоизоляция плазмы в токамаках не подчиняется классическим закономерностям. Классический перенос, вызванный кулоновским столкновением частиц, и представляющий собой череду смещений частиц на величину порядка ларморовского радиуса при столкновении, характеризуется малыми величинами коэффициентов диффузии и теплопроводности. В торе, особенно при низкой частоте столкновений, в механизме переноса тепла и частиц доминирует существенно больший характерный размер - размер «банановой траектории», то есть траектории частицы, запертой в области между сильным магнитным полем на внутреннем обводе и слабым на наружном. Перенос тепла, связанный с запертыми частицами, называется неоклассическим, а характерные коэффициенты переноса превышают классические примерно настолько, насколько ширина банановой орбиты превышает размер ларморовского радиуса. Но и неоклассический перенос не является самым сильным. В некоторых условиях потери тепла в направлении, поперечном магнитному полю, могут вызываться неустойчивостями с малым пространственным масштабом и высокой характерной частотой -плазменной турбулентностью. Турбулентность, возникающая как результат возбуждения микронеустойчивостей, имеет конечный пространственный масштаб и является причиной конвективного транспорта частиц и тепла поперек магнитного поля. Самая плохая термоизоляция характерна для плазмы с высоким уровнем турбулентности, что приводит к малым временам

аг „ n Те

удержания энергии тв'--, где а — малый радиус токамака, ив -

В

коэффициент диффузии Бома, Те - температура электронов, В - индукция магнитного поля. Такой транспорт тепла называется Бомовским ("Bohm transport"), и именно он определяет «верхнюю» границу аномальности. Времена удержания энергии порядка неоклассических достижимы только для ионного компонента плазмы. Термоизоляция электронов значительно хуже. Времена удержания энергии электронного компонента могут составлять лишь несколько процентов от неоклассических значений.

Несмотря на аномально высокий уровень потерь тепла и частиц, вызываемый плазменной турбулентностью, степень аномальности может значительно отличаться в разных режимах удержания. В 1982 году на установке ASDEX был открыт режим улучшенного удержания - Н-мода [2]. В таком режиме на периферии плазмы формируется транспортный барьер для потока тепла и частиц, что приводит к существенному (2-3 раза) увеличению времени жизни энергии по сравнению с обычным режимом, получившим название L-мода. Н-мода, или Н-режим является классическим примером самоорганизации плазмы, выражающейся в подавлении турбулентного транспорта, главным образом, на периферии плазмы и одновременном улучшении термоизоляции центральных областей. На других установках были открыты и другие режимы с улучшенным удержанием. Все эти режимы характеризовались увеличением энергосодержания по сравнению с обычным режимом (L-модой), что в значительной мере отражалось на форме профилей электронной концентрации, электронной и ионной температур и распределении других параметров плазмы. В пространственной области, где формировался транспортный барьер, обычно наблюдалось увеличение градиента на профиле концентрации и/или температуры соответствующего компонента плазмы.

Исследование процессов переноса в токамаках, необходимость классификации режимов удержания, разработка методов достижения

режимов с улучшенным удержанием выявило ключевую роль диагностик, позволяющих измерять подробные пространственные распределения параметров плазмы. Кроме этого, без знания подробной пространственной вариации профилей плазменных параметров невозможно количественно описывать режимы удержания и добиваться оптимизации равновесия и устойчивости плазменной конфигурации. Параметры термоядерной плазмы предъявляют высокие требования к диагностикам, используемым для проведения измерений. Измерения должны проводиться с хорошим временным и пространственным разрешением, не оказывая воздействия на исследуемую плазму, что существенно сужает спектр применимых методов. Одной из самых надежных диагностик для измерения локальных значений температуры и концентрации электронов является диагностика томсоновского рассеяния основанная на минимуме физических предположений и моделей.

В настоящей работе, с помощью специально разработанной аппаратуры и методики измерений, проводится экспериментальное исследование переноса тепла и частиц в электронном компоненте плазмы на токамаке Глобус-М в сценариях омического нагрева и в сценариях с дополнительным нагревом нейтральным пучком. Ключевую роль в исследовании занимает измерение радиальных распределений температуры и концентрации электронов в плазме токамака методом томсоновского рассеяния с подробным временным и пространственным разрешением. Важной частью работы является модернизация существующего комплекса диагностики томсоновского рассеяния, необходимая для проведения полноценных исследований термоизоляции плазмы в различных режимах работы токамака.

Цели работы.

1. Модернизация аппаратуры комплекса диагностики томсоновского рассеяния для измерения временной вариации профилей электронной температуры и концентрации вдоль большого радиуса токамака

от внутренней до внешней границы плазмы в десяти пространственных точках в мониторном режиме.

2. Создание базы данных разрядов с экспериментально измеренными профилями температуры и концентрации электронов, в основных режимах токамака Глобус-М (режим омического нагрева и режим нагрева плазмы методом инжекции нейтрального пучка, Ь- мода, Н - мода, режимы с внутренним транспортным барьером).

3. Разработка транспортной модели токамака, соответствующей существующим возможностям диагностического комплекса Глобус-М для различных режимов работы установки.

4. Исследование процессов переноса в плазме сферического токамака Глобус-М в режиме омического нагрева и при мощном дополнительном нагреве.

Новизна работы.

Впервые для компактного сферического токамака Глобус-М со стенкой, близко расположенной к плазме, разработана регистрирующая аппаратура диагностики томсоновского рассеяния для измерения полных профилей распределения концентрации и температуры электронов и их временных вариаций.

Впервые на компактном сферическом токамаке с высокой плотностью вводимой мощности нагрева (~ 3 МВт/м3) и высокой плотностью плазмы (до Ю20 м"3) проведено исследование поперечного переноса тепла в электронном канале в Ь и Н режимах.

Впервые на компактном сферическом токамаке наблюдался внутренний транспортный барьер для частиц, и проведено исследование электронного теплопереноса в этом режиме с помощью численных транспортных кодов. Показано, что формирование внутреннего диффузионного барьера происходит в области с отрицательным магнитным

широм, а время его существования ограничено формированием резонансной поверхности q=l в центральной области плазмы.

Достоверность научных результатов. Полученные в ходе работы результаты экспериментально обоснованы. Их достоверность обеспечена многократным повторением измерений, а также сопоставлением данных измерений, выполненных различными диагностическими средствами, и проведением численных расчетов с использованием признанного в научных кругах транспортного кода АСТРА[3]. Полученные данные не противоречат результатам измерений на других сферических токамаках: MAST (Великобритания), NSTX (США).

Личное участие автора. Все представленные в диссертации результаты получены непосредственно автором или при его активном участии. При непосредственном участии автора разработана аппаратура диагностики томсоновского рассеяния и методики проведения калибровок и измерений концентрации и температуры электронов в мониторном режиме. При активном участии автора проведены исследования теплопереноса в режиме омического нагрева и режиме дополнительного нагрева нейтральным пучком. Непосредственно автором выполнено численное моделирование, позволившее восстановить пространственно-временные зависимости коэффициента электронной температуропроводности в данных режимах. Автор принимал активное участие в экспериментах на токамаке Глобус-М, осуществляя измерения временной вариации пространственных распределений электронной температуры и концентрации плазмы методом томсоновского рассеяния, результаты которых представлены в диссертации.

Практическая значимость работы. Разработана регистрирующая аппаратура для диагностики рассеянного на плазме излучения многоимпульсного неодимового лазера, основанная на использовании нового поколения лавинных фотодиодов и интерференционных фильтров с высоким контрастом. Применение аппаратуры позволило производить измерение

временной вариации пространственных распределений температуры и концентрации электронов в плазме компактного сферического токамака с близко расположенной стенкой, как со стороны сильного, так и со стороны слабого магнитного поля. Проведенные исследования электронного теплопереноса на токамаке Глобус-М дают возможность создания транспортной модели и рабочих сценариев для проектов сферических токамаков нового поколения - Глобус-М2 и Глобус-МЗ, разработка которых ведется в настоящее время [4],[5],[6].

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Разработка диагностической аппаратуры томсоновского рассеяния для повышения точности измерения пространственных распределений концентрации и температуры электронов в плазме сферического токамака Глобус-М.

2. Измерения временной динамики пространственных распределений температуры и концентрации электронов вдоль большого радиуса плазмы, как со стороны слабого, так и со стороны сильного магнитного поля. Создание экспериментальной базы данных измерений.

3. Исследование теплопереноса в электронном компоненте плазмы с малым аспектным отношением на основании измерений динамики пространственных распределений температуры и концентрации электронов на квазистационарной стадии разряда.

4. Исследование электронного переноса в условиях, благоприятных для формирования внутренних транспортных барьеров - в режиме отрицательного магнитного шира при дополнительном нагреве нейтральным пучком на стадии роста тока.

Апробация работы и публикации. Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены в период 2007 -2012 гг. и изложены в 14 печатных работах, в том числе в 5 статьях в реферируемых журналах.

Результаты диссертации представлялись международных конференциях: 23rd IAEA Fusion Energy Conference 2010, 38 EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion (Strasbourg, 2011), Звенигородская конференция по физике плазмы и У ТС (XXXVII, XXXVIII, XXXIX, Звенигород, 2010, 2011, 2012), на совместных симпозиумах, проводимых Калэмским (Culham) научным центром (Великобритания) и ФТИ им. А.Ф. Иоффе, проводимых Helsinki University of Technology (Финляндия) и ФТИ им. А.Ф. Иоффе, а также на семинарах лаборатории Физики высокотемпературной плазмы ФТИ им А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург).

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация изложена на 162 станицах, содержит 47 рисунков и 4 таблицы; список литературы содержит 159 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель научная новизна и актуальность исследований.

В главе 1 рассмотрена проблема термоизоляции плазмы в токамаках. Приведен краткий обзор исследований режимов с улучшенным удержанием плазмы (Н - режим) и режимов с внутренними транспортными барьерами. На основании приведенного обзора сформулированы задачи, решаемые в рамках данной работы. В разделе 1.1 обсуждается баланс энергии в токамаках и проблема поперечного переноса. Приводится обзор литературы по изучению аномального переноса в плазме токамака. Приводятся основные законы масштабирования описывающие время удержания энергии в зависимости от макроскопических рабочих параметров, позволяющих сравнивать между собой данные с различных установок. В разделе 1.2 рассматриваются режимы работы токамаков в режимах с улучшенным удержанием энергии. Обсуждаются основные механизмы подавления аномального переноса

связанные с переходом разряда в режим улучшенного удержания. Значительная часть раздела посвящена обзору экспериментальных исследований режимов с улучшенным удержанием центральных областей плазменного шнура - внутренних транспортных барьеров. В разделе 1.3 подчеркивается особенность электронного теплопереноса в сферических токамаках по сравнению с токамаками с большим аспектным отношением. Приводится обзор основных физических результатов, посвященных термоизоляции плазмы в установках MAST и NSTX. Приводится краткое описание токамака Глобус-М, формулируются и обосновываются цели диссертационной работы.

В Главе 2 рассматриваются основы теории методов исследования, используемых в данной работе. Приведен обзор теоретической основы метода диагностики плазмы по томсоновскому рассеянию. Рассмотрены теоретические основы транспортных кодов, применяемых в работе для анализа поперечного переноса тепла и частиц. Проведено обсуждение метода нагрева плазмы с помощью пучка нейтральных частиц и его особенностей на токамаке Глобус-М. В разделе 2.1 рассматриваются теоретические основы метода диагностики плазмы по томсоновскому рассеянию. Рассматриваются области применимости данного метода и основные факторы, влияющие на точность и достоверность измерений. Раздел 2.2 посвящен энергобалансу плазменного шнура и задаче транспортного анализа плазмы. Приводится система уравнений непрерывности для потоков тепла, частиц и полоидального магнитного потока. Обсуждаются методики решений данной системы уравнений методом численных расчетов при разном способе задания граничных условий. В разделе 2.3 рассмотрен метод дополнительного нагрева плазмы нейтральным пучком в условия токамака Глобус-М и основные характеристики процесса термализации надтепловых частиц пучка, с точки зрения классической задачи торможения быстрого иона в плазме в отсутствие неустойчивостей. Обсуждаются методы определения поглощенной мощности пучка в плазме токамака.

Глава 3 посвящена обсуждению параметров разработанной аппаратуры и методики измерений для проведения измерений временной динамики полных профилей температуры и концентрации электронов в условиях компактного токамака Глобус-М. Несмотря на то, что токамак Глобус-М был уже оснащен аппаратурой для томсоновского рассеяния, несовершенство существующей системы не позволяло решить поставленные в работе задачи. В разделе 3.1 подытоживаются основные недостатки существовавшего до 2009 года комплекса томсоновского рассеяния, не позволявшие проводить измерение полных профилей концентрации и температуры в плазме токамака Глобус-М. Приводится описание новой системы регистрации рассеянного излучения разработанной для токамака Глобус-М. В результате модернизации число пространственных точек измерения параметров плазмы было увеличено до десяти, что позволяет в принципе измерять полные профили температуры и концентрации от внутренней до внешней границы плазмы. Для этого были спроектированы и изготовлены 5 новых спектрометров, а существующие 5 были переделаны существенным образом. Была реализована принципиально новая система сбора света, отработаны новые методы калибровки измерительной аппаратуры. Большое внимание уделено увеличению механической надежности и воспроизводимости оптических юстировок. Измерение пространственных распределений электронной температуры и концентрации по большому радиусу производится в экваториальной плоскости. В области проведения измерений формируется перетяжка лазерного луча диаметром 6 мм. Рассеянное на флуктуациях электронов плазмы излучение собирается в линейном угле 1/7 и проецируется с уменьшением 1:5 на торцы оптических волокон, расположенных в фокальной плоскости широкоугольного многолинзового ахроматического объектива. Для сбора излучения был разработан малоаберрационный светосильный объектив на основе стёкол ТФ10 и СТК19 для работы в угле более 40° и с апертурой 130 мм.

Оптоволоконная линия состоит из 10 упаковок, каждая из которых имеет длину 10 метров и осуществляет передачу собранного излучения на входной объектив отдельного спектрометра. Размер упаковки определяет пространсвенное разрешение измерений. Выбранному размеру упаковки 4 х 1.5 мм соответствует пространственное разрешение 20 мм вдоль хорды зондирования или ~18 мм поперек магнитных поверхностей. Достаточно важным элементом диагностики, влияющим на её надежность, является система контроля юстировки без нарушения вакуума. Для юстировки используется полупроводниковый непрерывный лазер, с генерацией на длине волны 650 нм, его оптическая ось совмещена с оптической осью диагностического лазера. Юстировка системы осуществляется по свету, рассеянному на мишени, перемещаемой внутри ваккумного объема вдоль хорды зондирования, без нарушения вакуумных условий установки. После юстировки мишень-флажок убирается в специальный патрубок. С помощью оптоволоконной линии осуществляется передача собранного излучения на входные объективы спектрометров, расположенных в специальном помещении, оснащенном системой термостабилизации.

Раздел 3.2 посвящен проблеме регистрации экспериментальных данных, оптическим характеристикам спектрометров, методам интерпретации измеренных сигналов, определению температуры и концентрации и их ошибок. Обсуждается вопрос автоматизации обработки данных. В разделе 3.3 приводится обзор методик, применяемых для калибровки регистрирующей аппаратуры. По сравнению с прежним вариантом диагностики томсоновского рассеяния существенных изменений потребовала процедура калибровки, учитывающая изменения характеристик аппаратуры (пропускания спектральных каналов, коэффициентов усиления ЛФД, характеристик усилителей, и прочих параметров, зависящих от конкретных условий эксперимента).

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию теплопереноса электронным компонентом на токамаке Глобус-М. В разделе 4.1 иллюстрируются возможности диагностики томсоновского рассеяния в плазменном эксперименте. Приводятся результаты измерения пространственно-временной эволюции температуры и концентрации электронов как в омическом разряде токамака, так и при инжекции высокоэнергетичной плазменной струи [7]. Проводятся сравнение данных измерений диагностики томсоновского рассеяния с магнитными и зондовыми диагностиками. В разделе 4.2 описана разработанная транспортная модель плазмы токамака Глобус-М. Приводятся результаты апробации разработанной транспортной модели для исследования теплопереноса в омическом разряде. Показано что перенос тепла в ионном канале соответствует предсказаниям неоклассической теории, значения электронной теплопроводности превышают неоклассические более чем на порядок, а для потока частиц присутствует характерный для Н- режима барьер на периферии плазменного шнура. В разделе 4.3 обсуждаются особенности теплопереноса в омическом режиме. Представлены основные результаты по исследованию удержания плазмы в режиме омического нагрева. Переход в Н -режим переходит при значениях концентрации <пе> ~ 2.5-1019 м~3, что можно считать пороговой плотностью необходимой для перехода. Мощность, вводимая в плазму от омического нагрев, по результатам моделирования составляет ~ 260300 кВт, что заметно превышает пороговую мощность необходимую для перехода полученную в соответствии с общепринятым скейлингом [8] Р,/,г = 90 кВт. При значении средней концентрации <пе> > 2.5-1019 м-3 и токе плазмы 1р~ 0.2 МА основной режим удержания плазмы при омическом нагреве -улучшенный, т.е. Н-режим.

В разделе 4.4 приводится результат изучения термоизоляции плазмы при дополнительном нагреве нейтральным пучком для разрядов с разными плотностями и мощностями нагрева. Несмотря на дополнительные 350 кВт мощности дополнительного нагрева поступающих в электронный компонент от

пучка сверх 250 кВт омической мощности, не наблюдается существенных отличий температуры электронов в омическом разряде и разряде с дополнительным нагревом, что следует из сравнения экспериментально измеренных профилей температуры. Расчеты показали, что энергозапас электронного компонента увеличивается лишь на 15%, по сравнению с омическим разрядом. Анализ радиальных распределений электронной теплопроводности определенных методом численного моделирования показал, что с увеличением вводимой мощности нагрева электронная температуропроводность растет, и термоизоляция плазменного шнура ухудшается. Этот результат согласуется с общепринятыми представлениями о нагреве плазмы в токамаке [8]. Как показали проведенные эксперименты, большую часть квазистационарной фазы разряда как в омическом режиме так и в режиме с дополнительным нагревом плазма находится в Н- режиме. Это связано с высокой мощностью нагрева плазмы как в омическом разряде, так и в разряде с нейтральной инжекцией. Кроме того, в разряде с дополнительным нагревом Ь-Н переход происходит очень быстро после включения пучка при среднем значении плотности <п,;> > 1.6-1019 м-3, что в 1.5 раза ниже чем для разряда с омическим нагревом.

Раздел 4.5 посвящен исследованию процессов переноса электронного компонента плазмы в режиме с ранней инжекцией пучка на стадии роста тока. В таком режиме запас МГД устойчивости на оси шнура превышает единицу ^(0)>1) и в значительной области плазмы создается немонотонный профиль характеризуемый отрицательным или слабым магнитным широм. Численные расчеты, проведенные на основании сделанных измерений временной вариации пространственных распределений, показали наличие внутренних транспортных барьеров для потоков тепла и частиц и позволили проследить их временную эволюцию, области формирования и причину разрушения. Моделирование показало наличие областей с пониженными коэффициентами переноса тепла и частиц. На профиле концентрации наблюдается область пониженного переноса

на границе плазмы или периферийный диффузионный барьер, типичный для режима Н-моды. Кроме этого существует еще одна область пониженного переноса частиц, расположенная глубоко внутри плазменного шнура (внутренний диффузионный барьер). На профиле температуры проявляется только один барьер, расположенный в области нормализованного малого радиуса ~ 0.7, периферийный же барьер отсутствует. Как показал анализ расчетных и экспериментальных данных, максимум градиента температуры электронов наблюдается в области слабого положительного магнитного шира, а максимум градиента концентрации в зоне отрицательного магнитного шира, вблизи его минимального значения. Оба внутренних транспортных барьера связаны с существование режима удержания, который называют режимом слабого магнитного шира [8], время существования которого ограничено формированием в плазме магнитной поверхности q=l.

В заключении сформулированы основные физические результаты данной диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведена разработка аппаратуры диагностики томсоновского рассеяния на компактном сферическом токамаке Глобус-М. В результате модернизации число пространственных точек было увеличено вдвое (с 5 до 10), что позволило измерять радиальное пространственное распределение температуры и концентрации электронов от внутренней до внешней границы плазменного шнура, в том числе вблизи сепаратрисы в различных условиях разряда.

2. Разработана новая методика обработки данных и программное обеспечение для автоматической обработки сигналов рассеяния, с помощью которого решена задача проведения измерений в мониторном режиме, а также создания базы данных временных вариаций профилей температуры и

концентрации электронов в разрядах токамака Глобус-М, содержащей более 2500 разрядов.

3. Создана расчетная модель плазмы токамака Глобус-М, которая апробирована как в эксперименте с омическим нагревом плазмы, так и в режиме дополнительного нагрева плазмы нейтральным пучком.

4. Впервые проведено исследование теплопереноса в магнитной конфигурации плазмы с малым аспектным отношением сложной формы, как в режимах омического нагрева, так и при инжекции в плазму нейтрального пучка с рекордно высокой мощностью на единицу объема - до 2.5 МВт/м3. Численные расчеты с помощью транспортных кодов АСТРА, ИСТАББ [9], проведенные на основании экспериментальных данных, показали, что перенос тепла в ионном канале соответствует предсказаниям неоклассической теории, а электронный транспорт тепла аномален. При этом расчетные значения электронной температуропроводности превосходят неоклассические более чем на порядок. Время жизни энергии плазмы при этом удовлетворительно согласуется с оценками, проведенными по скейлингу 1РВ98(у,2) [8].

5. Проведенные эксперименты и численные расчеты показали, что в компактном сферическом токамаке, при определенных условиях, могут формироваться внутренние транспортные барьеры для потоков частиц и тепла. Такими условиями являются наличие слабого магнитного шира в широкой области плазмы, а также отсутствие в плазменном шнуре резонансной магнитной поверхности д=1. В работе были изучены их временная эволюция, область формирования и причина разрушения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты работы были представлены в 9 докладах:

1. Курскиев Г.С., Гусев В.К., Толстяков С.Ю., и .др. «Особенности поведения электронного компонента плазмы токамака Глобус-М в омическом режиме и в режиме с дополнительным нагревом нейтральным пучком», В сб.

XXXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 6-10 февраля 2012 г., с. 68, Москва, 2012.

2. Курскиев Г.С., Толстяков С.Ю., Гусев В.К., и .др. «Результаты транспортного анализа плазмы на токамаке Глобус-М на основании данных диагностики томсоновского рассеяния», В сб. XXXVTO Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 14—18 февраля 2011 г., с. 82, Москва, 2011.

3. S.Yu. Tolstyakov, G.S.Kurskiev, V.K.Gusev, et. al. "Study of electron component dynamics during neutral beam injection into spherical tokamak Globus-M" Proc. of 38th EPS Conference on Plasma Phys. Strasbourg, June 27 - July 1, 2011 ECA Vol.35G, P-5.052 (2011).

4. Курскиев Г.С., Толстяков С.Ю. Березуцкий А.А., и др. «Прогресс в исследовании кинетических параметров плазмы на токамаке Глобус-М методом томсоновского рассеяния и перспективы развития диагностики», В сб. XXXVII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 8-12 февраля 2010 г., с. 81, Москва, 2010.

5. G.S. Kurskiev, S.Yu. Tolstyakov, V.K. Gusev, M.M. et. al. «Investigation of the NBI heated plasma on the Globus-M tokamak with the use of Thomson scattering diagnostics» Proc. of4th IWSSPP, Bulgary, 5-9 July (2010).

6. V.K. Gusev, S.E. Aleksandrov, R.M. Aminov, ... G.S. Kurskiev, et. al. «Investigation of Beam- and Wave- Plasma Interaction in the Globus-M Spherical Tokamak», Proc. of 23rd IAEA Fusion Energy Conf., Daejon, Republic of Korea, 1116 October 2010, CN-180, EXW/P7-08

7. A.B. Воронин, B.K. Гусев, Я.А. Герасименко, Г.С. Курскиев, и др. «Генерация и инжекция в токамак высокоэнергичных струй плотной плазмы, свободной от примесей», В сб. XXXVIII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 14 - 18 февраля 2011 г., с. 64, Москва, 2011.

8. В.К. Гусев, А.Е. Иванов, А.Д. Мельник, Г.С. Курскиев, и др. «Влияние параметров разряда на эффективность метода нейтральной инжекции в

сферическом токамаке Глобус-М», В сб. XXXVIII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 14-18 февраля 2011 г., с. 102, Москва, 2011.

9. Гусев В.К., Воронин A.B., Дьяченко, ... Курскиев Г.С., и др. «Воздействие пучков частиц и ЭМ волн на плазму сферического токамака Глобус-М при низком и увеличенном магнитном поле», В сб. Международного семинара «Инновационный проект создания казахского материаловедческого токамака КТМ. Научные исследования и международное сотрудничество», 5-7 сентября 2011 г., Назарбаев Университет, Республика Казахстан, 176 е., стр. 65 -66

и опубликованы в 5 статьях в реферируемых изданий:

1. Г.С. Курскиев, С.Ю. Толстяков, A.A. Березуцкий, и др. «Модернизация диагностики томсоновского рассеяния на токамаке Глобус-М» В сб. Вопросы атомной науки и техники, 2012, вып. 2, с.81

2. Г.С. Курскиев, В.К. Гусев, С.Ю. Толстяков, и др. «Формирование внутренних транспортных барьеров в токамаке Глобус-М в режиме с ранним включением нейтрального пучка» Письма в ЖТФ, , 2011, том 37, вып. 23, с. 82-90.

3. V.K. Gusev, R.M. Aminov, A.A. Berezutskiy, ... G.S. Kurskiev, et.al. «Investigation of beam- and wave-plasma interactions in spherical tokamak Globus-М» Nucl. Fusion 51 (2011) 103019 (12pp).

4. Ю.В. Петров, М.И. Патров, B.K. Гусев, ... Г.С. Курскиев и др. «Экспериментальное исследование тороидальных альфвеновских мод на сферическом токамаке Глобус-М» Физика плазмы, 2011, т.37, №12, с. 1075-1080.

5. Буланин В.В., Варфоломеев В.П., Гусев ... Курскиев Г.С., и др. «Наблюдение филаментов на токамаке Глобус-М методом допплеровской рефлектометрии» 2011, Письма ЖТФ, т.37, 7 страницы: 103-110.

ЛИТЕРАТУРА, ЦИТИРУЕМАЯ В АВТОРЕФЕРАТЕ

[1]. Гусев В.К., Голант В.Е., Гусаков Е.З. и др., ЖТФ, 1999, т. 69, № 9, 58-62.

[2]. F. Wagner, G. Becker, К. Behringer, et al., Regime of Imyroved Confinement and High Beta in. Neutral-Beam-Heated Divertor Discharges of the ASDEX Tokamak //Phys. Rev. Lett. 49 (1982) 1408

[3]. G. V. Pereverzev, P. N. Yushmanov, A. Yu. Dnestrovskii, et.al., ASTRA, An Automatic System for Transport Analysis in a Tokamak, Repor t IPP 5/42, August 1991

[4]. V.K. Gusev, V.B. Minaev, V.V. Dyachenko, et. al. "Globus-M modernization and plasma parameter promotion in the basic plasma heating and CD scenarios"// Proc. of 38th EPS Conference on Plasma Phys. Strasbourg, June 27 - July 1, 2011 ECA Vol.35G, P-4.094 (2011).

[5]. V.B. Minaev, V.K. Gusev, N.V. Sakharov, et. al., Magnetic System for the Upgraded Spherical Tokamak Globus-M2 //24th IAEA Fusion Energy Conference 8-13 October 2012 ICC/P1-01

[6]. V.K. Gusev, N.N. Bakharev, A.A. Berezutskii, et. al. Globus-M Results Toward Compact Spherical Tokamak with enhanced Parameters Globus-M2 //24th IAEA Fusion Energy Conference 8-13 October 2012 EX/8-3

[7]. V.K. Gusev, R.M. Aminov, A.A. Berezutskiy, ... G.S. Kurskiev, et.al. «Investigation of beam— and wave-plasma interactions in spherical tokamak Globus-М» Nucl. Fusion 51 (2011) 103019 (12pp).

[8]. Progress in the ITER Physics Basis. //Nucl. Fusion., 2007, V47.

[9]. W. A. Houlberg, К. C. Shaing, S. P. Hirshman, and M. C. Zamstorff, Bootstrap current and neoclassical transport in tokamaks of arbitrary collisionality and aspect ratio // Phys. Plasmas, 1997, 4 3230

Подписано в печать 14.11.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9948Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ТЕРМОИЗОЛЯЦИИ ПЛАЗМЫ В ТОКАМАКАХ.

1.1 Баланс энергии в токамаках и проблема поперечного переноса.

1.2 Режимы работы токамаков с улучшенным удержанием энергии.

1.3 Постановка задачи.

1.4 Выводы к главе.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ.

2.1 Метод томсоновского рассеяния.

2.2 Энергобаланс плазменного шнура и задача транспортного анализа плазмы.

2.3 Метод дополнительного нагрева плазмы нейтральным пучком в условия токамака Глобус-М.

2.4 Выводы к главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОННОГО КОМПОНЕНТА ПЛАЗМЫ.

3.1 Модернизация диагностического комплекса на токамаке Глобус-М.

3.2. Регистрация экспериментальных данных, характеристики спектрометров и ошибки измерений.

3.3 Калибровка аппаратуры.

3.4 Выводы к главе.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКА ГЛОБУС-М В ОМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ И РЕЖИМЕ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВОМ НЕЙТРАЛЬНЫМ ПУЧКОМ.

4.1 Диагностика TP в плазменном эксперименте на токамаке Глобус-М.

4.2 Создание и экспериментальная апробация расчетной модели транспортных процессов в плазме токамака Глобус-М.

4.3 Исследование термоизоляции плазмы в режиме омического нагрева.

4.4 Термоизоляция плазмы при дополнительном нагреве нейтральным пучком.

4.5. Особенности поведения плазмы в режиме слабого магнитного шира.

4.6 Выводы к главе.

Одним из перспективных источников энергии будущего является реактор основанный на реакции синтеза легких ядер. Ближе всего по требуемым параметрам к реакторной области подошли установки типа «токамак», основанные на удержании высокотемпературной плазмы в сильном тороидальном магнитном поле. На основе токамаков возможно создание, как энергетического термоядерного реактора, так и источника нейтронов для реактора гибридного типа «синтез-деление».

Для увеличения эффективности работы токамака, то есть для увеличения выхода энергии реакции синтеза при постоянной вложенной мощности, требуется создание хорошей термоизоляции плазменного шнура. И хотя движение частиц перпендикулярно магнитному полю сильно ограничено, термоизоляция плазмы в токамаках не подчиняется классическим закономерностям. Классический перенос, вызванный кулоновским столкновением частиц, и представляющий собой череду смещений частиц на величину порядка ларморовского радиуса при столкновении, характеризуется малыми величинами коэффициентов диффузии и теплопроводности. В торе, особенно при низкой частоте столкновений, в механизме переноса тепла и частиц доминирует существенно больший характерный размер - размер «банановой траектории», то есть траектории частицы запертой в области между сильным магнитным полем на внутреннем обводе и слабым на наружном. Перенос тепла, связанный с запертыми частицами называется неоклассическим, а характерные коэффициенты переноса превышают классические примерно настолько, насколько ширина банановой орбиты превышает размер ларморовского радиуса. Но и неоклассический перенос не является самым сильным. В некоторых условиях потери тепла в поперечном магнитному полю направлении могут вызываться неустойчивостями с малым пространственным масштабом и высокой характерной частотой - плазменной турбулентностью. Турбулентность, возникающая как результат возбуждения микронеустойчивостей, имеет конечный пространственный масштаб и является причиной конвективного транспорта частиц и тепла поперек магнитного поля. Самая плохая термоизоляция характерна для плазмы с высоким уровнем турбулентности, что приводит к малым временам удержания энергии , т где а - малый радиус токамака, Вв ^ — - коэффициент диффузии Бома, Те в температура электронов, В - индукция магнитного поля. В токамаках времена удержания значительно выше Бомовских, хотя не для всех сортов частиц приближаются к неоклассическим. Такой транспорт тепла называется аномальным, и именно он является доминирующим для электронного компонента плазмы. Времена удержания энергии порядка неоклассических достижимы лишь для ионного компонента плазмы. Термоизоляция электронов значительно хуже. Времена удержания энергии электронного компонента могут составлять ~0.01 от неоклассических значений и определятся в основном плазменной турбулентностью.

Несмотря на аномально высокий уровень потерь тепла и частиц, вызываемый плазменной турбулентностью, степень аномальности может значительно отличатся в разных режимах удержания. В 1982 году на установке АБЭЕХ был открыт режим улучшенного удержания - Н-мода [1]. В таком режиме на периферии плазмы формируется транспортный барьер для потока тепла и частиц, что приводит к существенному (2-3 раза) увеличению времени жизни энергии по сравнению с обычным режимом, получившим название Ьмода. Н-мода, или //-режим является классическим примером самоорганизации плазмы, выражающейся в подавлении турбулентного транспорта, главным образом, на периферии плазмы и одновременном улучшении термоизоляции центральных областей. На других установках были открыты и другие режимы с улучшенным удержанием. Все эти режимы характеризовались не только увеличением энергосодержания по сравнению с обычным режимом (/-модой), но и существенным различием в форме профилей электронной концентрации, электронной и ионной температур, тороидального момента. В пространственной области, где формировался транспортный барьер, наблюдалось увеличение градиента на профиле соответствующего компонента плазмы.

Исследование процессов переноса в токамаках, необходимость классификации режимов удержания, разработка «технологии» достижения режимов с улучшенным удержанием выявило ключевую роль диагностик, позволяющих измерять подробные пространственные распределения параметров плазмы. Кроме этого, без знания подробной пространственной вариации профилей плазменных параметров невозможно количественно описывать режимы удержания и добиваться оптимизации равновесия и устойчивости плазменной конфигурации. Параметры термоядерной плазмы предъявляют высокие требования к диагностикам, используемым для проведения измерений. Измерения должны проводиться с хорошим временным и пространственным разрешением, не оказывая воздействия на исследуемый разряд, что существенно сужает спектр применимых методов. Самой надежной диагностикой для измерения локальных значений температуры и концентрации электронов является диагностика томсоновского рассеяния (ТР) основанная на минимуме физических предположений и моделей.

В настоящей работе проводится экспериментальное исследование переноса тепла и частиц в электронном компоненте плазмы на токамаке Глобус-М в сценариях омического нагрева и в сценариях с дополнительным нагревом нейтральным пучком. Ключевую роль в исследовании занимает измерение радиальных распределений температуры и концентрации электронов в плазме токамака методом ТР с подробным временным и пространственным разрешением. Важной частью работы является модернизация существующего комплекса диагностики ТР, необходимая для проведения полноценных исследований термоизоляции плазмы в различных режимах работы токамака.

Научная новизна.

Впервые для компактного сферического токамака Глобус-М со стенкой, близко расположенной к плазме, разработана регистрирующая аппаратура диагностики томсоновского рассеяния для измерения полных профилей распределения концентрации и температуры электронов и их временных вариаций.

Впервые на компактном сферическом токамаке с высокой плотностью л вводимой мощности нагрева 3 МВт/м ) и высокой плотностью плазмы (до

20 3

10 м" ) проведено исследование поперечного переноса тепла в электронном канале вЬиНрежимах.

Впервые на компактном сферическом токамаке обнаружен внутренний транспортный барьер для частиц, и проведено исследование электронного теплопереноса в этом режиме с помощью численных транспортных кодов. Показано что формирование внутреннего диффузионного барьера происходит в области с отрицательным магнитным широм, а время его существования ограничено формированием резонансной поверхности в центральной области плазмы.

Практическая значимость работы:

Разработана регистрирующая аппаратура для диагностики рассеянного на плазме излучения многоимпульсного неодимового лазера, основанная на использовании нового поколения лавинных фотодиодов и интерференционных фильтров с высоким контрастом. Применение аппаратуры позволило производить измерение временной вариации пространственных распределений ф $ & £ температуры и концентрации электронов в плазме компактного сферического токамака с близко расположенной стенкой, как со стороны сильного, так и со стороны слабого магнитного поля. Проведенные исследования электронного теплопереноса на токамаке Глобус-М дают возможность создания транспортной модели и рабочих сценариев для проектов сферических токамаков нового поколения - Глобус-М2 и Глобус-МЗ, разработка которых ведется в настоящее время [1][2][3].

Личный вклад автора.

Все представленные в диссертации результаты получены непосредственно автором или при его активном участии. При непосредственном участии автора разработана аппаратура диагностики томсоновского рассеяния и методики проведения калибровок и измерений концентрации и температуры электронов в мониторном режиме. При активном участии автора проведены исследования теплопереноса в режиме омического нагрева и режиме дополнительного нагрева нейтральным пучком. Непосредственно автором выполнено численное моделирование, позволившее восстановить пространственно-временные зависимости коэффициента электронной температуропроводности в данных режимах. Автор принимал активное участие в экспериментах на токамаке Глобус-М, осуществляя измерения временной вариации пространственных распределений электронной температуры и концентрации плазмы методом томсоновского рассеяния, результаты которых представлены в диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация изложена на 161 станице, содержит 47 рисунков и 4 таблицы; список литературы содержит 159 наименований.

4.6 Выводы к главе.

С помощью модернизированной диагностики томсоновского рассеяния, позволяющей проводить измерение временной вариации радиальных пространственных распределений температуры и концентрации электронов от внутренней до внешней границы, налажены мониторные измерения, а так же создана экспериментальная база данных содержащая более 2500 разрядов. Создана и апробирована в эксперименте с омическим нагревом расчетная модель плазмы токамака Глобус-М. Перенос тепла в ионном канале соответствует предсказаниям неоклассической теории. Электронный транспорт в значительной степени аномален, расчетные значения электронной температуропроводности превосходят неоклассические более чем на порядок. Проведен анализ эффективности термоизоляции плазмы при разной плотности плазмы и мощности дополнительного нагрева, а так же в режиме слабого магнитного шира.

Заключение и положения выносимые на защиту.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию электронного компонента плазмы в режиме с дополнительным нагревом нейтральным пучком и режиме с омическим нагревом на токамаке Глобус-М. Для проведения экспериментальной работы была проведена глобальная модернизация диагностики томсоновского рассеяния. В результате реализована новая система сбора света, позволяющая проводить измерения пространственного распределения температуры и концентрации электронов в экваториальной плоскости токамака в 10 пространственных точках, расположенных от внешней до внутренней границы плазменного шнура. Динамика пространственных распределений температуры и концентрации электронов была измерена в омическом режиме, и в режиме с нейтральной инжекцией при низкой и высокой плотности. Так же был исследован режим с внутренним транспортным барьером. Инжекция нейтрального пучка на ранней стадии роста тока позволила получить плазму с двойным транспортным барьером по плотности в режиме слабого магнитного шира. Измеренные профили температуры и концентрации электронов послужили основой для транспортного анализа плазмы токамака Глобус-М. Для проведения транспортного анализа была создана расчетная модель с использованием кода АСТРА. В рамках созданной модели было проведено динамическое моделирование разрядов, целью которого являлось определение электронной температуропроводности, энергозапаса плазмы и времени удержания энергии. Моделирование показало, что перенос тепла в ионном компоненте плазмы близок к предсказаниям неоклассической теории, в то время как перенос тепла в электронном компоненте плазмы полностью определяется аномальным

145 переносом. В режиме слабого магнитного шира было обнаружено формирование внутреннего диффузионного барьера, ответственного за формирование стеллообразного профиля концентрации.

Положения выносимые на защиту:

1. Разработка диагностической аппаратуры томсоновского рассеяния для повышения точности измерения пространственных распределений концентрации и температуры электронов в плазме сферического токамака Глобус-М.

2. Измерения временной динамики пространственных распределений температуры и концентрации электронов вдоль большого радиуса плазмы, как со стороны слабого, так и со стороны сильного магнитного поля. Создание экспериментальной базы данных измерений.

3. Исследование теплопереноса в электронном компоненте плазмы с малым аспектным отношением на основании измерений динамики пространственных распределений температуры и концентрации электронов на квазистационарной стадии разряда.

4. Исследование электронного переноса в условиях благоприятных для формирования внутренних транспортных барьеров - в режиме отрицательного магнитного шира при дополнительном нагреве нейтральным пучком на стадии роста тока.

1. V.B. Minaev, V.K. Gusev, N.V. Sakharov, et. al., Magnetic System for the Upgraded Spherical Tokamak Globus-M2 //24th IAEA Fusion Energy Conference 8-13 October 2012 ICC/P1-01

2. V.K. Gusev, N.N. Bakharev, A.A. Berezutskii, et. al. Globus-M Results Toward Compact Spherical Tokamak with enhanced Parameters Globus-M2 //24th IAEA Fusion Energy Conference 8-13 October 2012 EX/8-3

3. F. Wagner, G. Becker, K. Behringer, et al., Regime of Imyroved Confinement and High Beta in. Neutral-Beam-Heated Divertor Discharges of the ASDEX Tokamak //Phys. Rev. Lett. 49 (1982) 1408

4. Y-K. M. Peng, D.J.Strickler, Features of Spherical Torus Plasmas //Nucl. Fusion 26 (1986) 769.

5. ITER Physics Basis //Nucl. Fusion, 1999, V39

6. Галеев A.A., Сагдеев Р.З. «Неоклассическая» теория диффузии //Вопросы теории плазмы, 1973, вып. 7, стр. 205.

7. W. A. Houlberg, К. С. Shaing, S. P. Hirshman, and М. С. Zarnstorff, Bootstrap current and neoclassical transport in tokamaks of arbitrary collisionality and aspect ratio // Phys. Plasmas, 1997, 4 3230

8. Hinton F L and Hazeltine R D, Theory of plasma transport in toroidal confinement systems // 1976 Rev. Mod. Phys. 48239

9. Connor J W, Tokamak turbulence-electrostatic or magnetic?, // Plasma Phys. Control. Fusion 35 (1993) B29SB305

10. Liewer P C, Measurements of microturbulence in tokamaks and comparisons with theories of turbulence and anomalous transport // Nucl. Fusion (1985) 25 543

11. Wootton A J, Carreras B A, Matsumoto H, et. al., Fluctuations and anomalous transport in tokamaks // Phys. Fluids B 2, 2879 (1990)

12. Sheffield J, The physics of magnetic fusion reactors // 1994 Rev. Mod. Phys. 66 1015

13. Hugill J, Edge turbulence in tokamaks and the L-mode to H-mode Transition // 2000 Plasma Phys. Control. Fusion42R75

14. Burrell K H, Turbulence behaviour in the presence of transport Barriers// Plasma Phys. Control. Fusion 48 (2006) A347-A363

15. Bretz N, Diagnostic instrumentation for microturbulence in tokamaks // 1997 Rev. Sci. Instrum. 68 2927

16. Conway G D, Schirmer J, Klenge S, et.al., Plasma rotation profile measurements using Doppler reflectometry // Plasma Phys. Control. Fusion 46(2004)951-970

17. Connor J W and Wilson H R, Survey of theories of anomalous transport // Plasma Phys. Control. Fusion 36 (1994) 719-795

18. X Garbet, P Mantica, C Angioni, et. al., Physics of transport in tokamaks //Plasma Phys. Control. Fusion 46 (2004) B557-B574

19. T.J.J. Tala, J.A. Heikkinen, V. Parail et al. ITB formation in terms of co ExB flow shear and magnetic shear s on JET // Plasma Phys. Control. Fusion 43 (2001)507-523.

20. P H Diamond, A Hasegawa and K Mima, Vorticity dynamics, drift wave turbulence, and zonal flows: a look back and a look ahead // Plasma Phys. Control. Fusion 53 (2011) 124001 (23pp)

21. R. J. Fonck, G. Cosby, R. D. Durst, et. al. Long-Wavelength Density Turbulence in the TFTR Tokamak // 1993 Phys. Rev. Lett.70 3736

22. G.R. McKee, C.C. Petty , R.E. Waltz et. al., Non-dimensional scaling of turbulence characteristics and turbulent diffusivity Nuclear Fusion, Vol. 41, No. 9 1235

23. R. D. Durst, R. J. Fonck, J. S. Kim, et. al. Observation of a Localized Transition from Edge to Core Density Turbulence in the TFTR Tokamak// 1993Phys. Rev. Lett.71 3135

24. H.T. Evensena, R.J. Fonck, S.F. Paul et. al. Measurements of ion temperature fluctuations in the tokamak fusion test reactor// Nuclear Fusion, Vol. 38, No.2(1998) 237

25. A.E. White, L. Schmitz, G. R. McKee, C. H. Holland, et al. Measurements of core electron temperature and density fluctuations in DIII-D and comparison to nonlinear gyrokineticsimulations // Physics of Plasmas, 15,056116(2008)

26. T. L. Rhodes, J.-N. Leboeuf, R. D. Sydora et. al. Comparison of turbulence measurements from DIII-D low-mode and highperformance plasmas to turbulence simulations and models // Phys. Plasmas, Vol. 9, No. 5, May 2002, 2141

27. Jenko F, Dorland W, Kotschenreuther M and Roger s B N, Electron temperature gradient driven turbulence // Phys. Plasmas, Vol. 7, No. 5, May 2000, 1904

28. Garbet X Turbulence in fusion plasmas: key issues and impact on transport modeling //Plasma Phys. Control. Fusion 43 (2001) A251-A266

29. Kendl A Linear aspects of streamer formation in electron temperature gradient turbulence // Phys. Plasmas, Vol. 10, No. 1, January 20031. H . ^ It

30. L. Colas, X.L. Zou, M. Paume, et. al. Internal magnetic fluctuations and electron heat transport in the Tore Supra tokamak: Observation by cross-polarization scattering// Nuclear Fusion, Vol. 38, No. 6 (1998)903

31. G.T. Hoang, B. Saoutic, L. Guiziou et. al. Magnetic shear effects on confinement and electron heat transport in tore supra discharges with electron heating// Nuclear Fusion, Vol. 38, No. 1 (1998) 117

32. Bickerton R J Magnetic turbulence and the transport of energy and particles in tokamaks// Plasma Phys. Control. Fusion 39 (1997) 339-365

33. S.M. Kaye, F.M. Levinton, D. Stutman, et. al. //Confinement and local transport in the National Spherical Torus Experiment (NSTX) //Nucl. Fusion47(2007) 499-509

34. J.E. Menard, M.G. Bell, R.E. Bell et. al. Overview of recent physics results from the National Spherical Torus Experiment (NSTX)// Nucl. Fusion 47 (2007) S645-S657

35. B. Lloyd, R.J. Akers, F. Alladio et. al. Overview of physics results from MAST// Nucl. Fusion 47 (2007) S658-S667

36. C M Roach, D J Applegate, J W Connor et. al. Microstability physics as illuminated in the spherical tokamak// Plasma Phys. Control. Fusion 47 (2005) B323-B336

37. G. R. Mckee, R. J. Fonck, D. K. Gupta et. al. Plasma Turbulence Imaging via Beam Emission Spectroscopy in the Core of the DIII-D Tokamak//Plasma Fusion Res. 2(2007) SI025

38. S.J. Zweben, R.J. Maqueda, D.P. Stotler et. al. High-speed imaging of edge turbulence in NSTX// Nucl. Fusion 44 (2004) 134-153

39. P H Diamond, S-I Itoh, K Itohand and T S Hahm Zonal flows in plasma—a review //Plasma Phys. Control. Fusion 47 (2005) R35-R161

40. J.E. Rice, W.D. Lee, E.S. Marmar et. a.l Observations of anomalous momentum transport in Alcator C-Mod plasmas with no momentum input// Nucl. Fusion 44 (2004) 379-386

41. Waltz R E, Kerbel G D and Milovich J Toroidal gyroLandau fluid model turbulence simulations in a nonlinear ballooning mode representation with radial modes/ZPhys, Plasmas 1 (7), July 1994 2229

42. K. Itoh, S.-I. Itoh, P. H. Diamond et. al. Physics of zonal flows// Phys. Plasmas 13(2006), 055502

43. A. Fujisawa, T. Ido, A. Shimizu et. al. Experimental progress on zonal flow physics in toroidal plasmas//Nucl. Fusion 47 (2007) S718-S726

44. Y Nagashima, K Itoh, S-I Itoh et. al. Bispectral analysis applied to coherent floating potential fluctuations obtained in the edge plasmas on JFT-2M //Plasma Phys. Control. Fusion 48 (2006) S1-S15

45. T Lan, A D Liu, C X Yu et. al. Spectral characteristics of geodesic acoustic mode in the HL-2A tokamak//Plasma Phys. Control. Fusion 50 (2008)045002 (13pp)

46. Progress in the ITER Physics Basis. //Nucl. Fusion., 2007, V47.

47. Wesson J., Tokamaks, Oxford, Clarendon press, 2004

48. A Kirk, N Ben Ayed, G Counsell et. al., Filament structures at the plasma edge on MAST //Plasma Phys. Control. Fusion 48 (2006) B433-B441

49. N Ben Ayed, A Kirk, B Dudson et. al. Inter-ELM filaments and turbulent transport in the Mega-Amp Spherical Tokamak//Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) 035016 (25pp)

50. F Ryter and the H-mode Threshold Database Group Progress of the international H-mode power threshold database activity// Plasma Phys. Control. Fusion 44 (2002) A415-A421

51. ITPA H-mode Power Threshold Database Working Group Roles of aspect ratio, absolute B and effective Z of the H-mode power threshold in tokamaks of the ITPA database// Plasma Phys. Control. Fusion 46 (2004) A227-A233

52. Gohil P., et. al. // Phys. Rev. Lett., 65, 1988, 1073

53. Melnikov et al, Czechslovak Journal of Physics, v.50 (2000), N12

54. M. Romanelli, M. De Benedetti, B. Esposito et. al. Confinement and turbulence study in the Frascati Tokamak Upgrade high field and high density plasmas //Nucl. Fusion 46 (2006) 412-418

55. D. V. Kouprienko, A. B. Altukhov, A. D. Gurchenko et. al. Dynamics of the electron thermal diffusivity at improved energy confinement during lower hybrid plasma heating in the FT-2 tokamak //Plasma Physics Reports, 2010, Vol. 36, No. 5, pp. 371-380

56. E.H. Joffrin et al., "Internal Transport Barrier Triggering by rational magnetic flux surfaces in tokamaks", IAEA, FEC, 2002, paper EX/PI-13

57. P.G.Carolan et al., "H-mode access physics in MAST", IAEA, FEC, 2002, paper EX/C2-6

58. P.M.Ryan et al, "RF Heating and Current Drive on NSTX With High Harmonic Fast Waves", IAEA FEC 2002, paper EX/P2-13

59. H. Takahashi et al, High Zb, low collisional plasma confinement characteristics in LHD, IAEA, FEC, 2010, EXC/P8-15

60. R.Brakel, "Electron Energy Transport in the Presence of Rational Surfaces in the W7-AS Stellarator", Nucl.Fusion 42, 903, 2002

61. D Mazon, X Litaudon, D Moreau et al, Real-time control of internalitransport barriers in JET // Plasma Phys. Control. Fusion 44 (2002) 10871104

62. G M D Hogeweij, Y Baranov, G D Conway et al, Electron heated internal transport barriers in JET // Plasma Phys. Control. Fusion 44 (2002) 1155-1165

63. Tuomas Tala, Xavier Garbet, Physics of Internal Transport Barriers, C. R. Physique 7 (2006) 622-633

64. J.W. Connor, T. Fukuda, X. Garbet et. al. A review of internal transport barrier physics for steady-state operation of tokamaks // Nucl. Fusion 44 (2004) R1-R49

65. R. E. Waltz, G. M. Staebler, W. Dorland. et. al. A gyro-Landau-fluid transport model// Phys. Plasmas 4 (7), July 1997, 2482

66. T. S. Hahm and K. H. Burrell Flow shear induced fluctuation suppression in finite aspect ratio shaped tokamak plasma// Phys. Plasmas, 2, 1995, 1648

67. Gunter S.et al // Proc. 28th EPS Conf. vol 25A, 2001, p 49

68. S.M. Kaye, M.G. Bell, R.E. Bell, et. al. Energy confinement scaling in the low aspect ratio National Spherical Torus Experiment (NSTX) // Nucl. Fusion46(2006) 848-857

69. M. Valovic, R. Akers, G. Cunningham, et. al. Scaling of H-mode energy confinement with Ip and BT in the MAST spherical tokamak // Nucl. Fusion49(2009) 075016 (8pp)

70. M. Valovic ,R.Akers, M. de Bock, et. al. Collisionality and safety factor scalings of H-mode energy transport in the MAST spherical tokamak //Nucl. Fusion51(2011) 073045 (9pp)

71. S.M. Kaye, F.M. Levinton, D. Stutman, et. al. //Confinement and local transport in the National Spherical Torus Experiment (NSTX) //Nucl. Fusion47(2007) 499-509

72. Luce T.C., Petty C.C. and Cordey J.G. Application of dimensionless parameter scaling techniques to the design and interpretation of magnetic153fusion experiments // Plasma Phys. Control. Fusion 50 (2008) 043001 (87pp)

73. Petty C.C. Sizing up plasmas using dimensionless parameters // Phys. Plasmas 15(2008), 080501

74. Y-K M Peng, P J Fogarty, T W Burgess et. al. "A component test facility based on the spherical tokamak" // Plasma Phys. Control. Fusion 47 (2005) B263-B283

75. B.V. Kuteev, E.A. Azizov, A.S. Bykov et. al. Steady-state operation in compact tokamaks with copper coils // Nucl. Fusion 51 (2011) 073013 (6pp)

76. J.E. Menard, S. Gerhardt, M. Bell et.al. Overview of the physics and engineering design of NSTX upgrade// Nucl. Fusion52(2012) 083015 (39pp)

77. В.К.Гусев, В.Е.Голант, Е.З.Гусаков и др., Сферический токамак Глобус-М, ЖТФ, т.69, вып.8, стр.58.

78. Петров Ю.В., Аюшин Б.Т., Барсуков А.Г. и др., «Результаты экспериментов на токамаке Глобус-М за период 2005-2006 годов», В сб. XXXIV Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 12 16 февраля 2007 г., с. 14, Москва, 2007.

79. Gusev V.K. et al., Tech. Physics 44 (1999) 1054.

80. Gusev V.K. et al., , Proceedings of 29th EPS Conference on Plasma Physics and Control Fusion, Montreux, Switzerland, 17-21 June 2002, P4.104.

81. Gusev V.K. et al., Proceedings of 19th IAEA Fusion Energy Conference Lyon, France, 14-19 October 2002, , IAEA CD-ROM (2003) IAEA-CN-94, EX/P3-10.

82. Petrov Yu.V., et al., , Proc. of 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., St.Petersburg, 7-11 July 2003 ECA Vol.27A. P-3.109.154

83. A.V. Voronin, V.K. Gusev, Yu.V. Petrov et. al., High kinetic energy plasma jet generation and its injection into the Globus-M spherical tokamak //Nucl. Fusion 45 (2005) 1039-1045

84. V.K. Gusev, F.V. Chernyshev, V.E. Golant et al., Density limits and control in the Globus-M spherical tokamak //Nucl. Fusion 46 (2006) S584-S591

85. G.F. Counsell, RJ. Akers, L.C. Appel et. al. Overview of MAST results // Nucl. Fusion 45 S157-S164, 2005.

86. M. Ono, M.G. Bell, R.E. Bell et. al. Overview of the initial NSTX experimental results// Nuclear Fusion, Vol. 41, No. 10 1435-1447

87. V.K. Gusev et al. //31st EPS Conference on Plasma Phys. London, 28 June 2 July 2004 ECA Vol.28G, P-4.158 (2004)

88. V.K. Gusev et al. // 34th EPS Conference on Plasma Phys. Warsaw, 2 6 July 2007 ECA Vol.3 IF, P-l .078 (2007)

89. Bulanin V.V. et al, Plasma Devices Oper., 2001, vol. 9, p. 129-142

90. D.E.Evans, J.Katzenstein, Laser light scattering in laboratoty plasmas, Rep.Prog.Phys., 1969, 32, 207-271.

91. Л.Н.Пятниций, Лазерная диагностика плазмы, М. Атомиздат, 1976.

92. J.Sheffield Plasma scattering of Electromagnetic radiation, Academic Press, 1975, A W DeSilva. The evolution of light scattering as a plasma diagnostic, Contrib. Plasma Phys., 40:23 35, 2000.

93. R. E. Pechacek and A. W. Trivelpiece. Electromagnetic Wave Scattering from a High-Temperature Plasma, Physics of fluids, 10:1688, 1967.

94. M. Mattioli and R. Papoular. Analysis of light scattering data from relativistic plasmas, Plasma Phys., 17,165 172, 1974.

95. T. Matoba, T. Itagaki, T. Yamauchi, and A. Funahashi. Analytical approximations in the theory of relativistic thomson scattering of high155temperature fusion plasma, Japanese Journal of Applied Physics, 18:1127, 1979.

96. A. C. Selden. Simple analytic form of the relativistic Thomson scattering spectrum, Physics Letters, 79A:405, 1980.

97. O. Naito, H. Yoshida, and T. Matoba. Analytic formula for fully relativistic Thomson scattering spectrum, Physics of fluids B, 5:4256, 1993.

98. M Mattioli. Incoherent light scattering from high temperature plasmas, Technical Report EUR-CEA-FC-752, DPh-PFC-SPP, 1974.

99. N.Bretz, D.Dimock, V.Foote, D.Jhonson, D.Long, and E.Tolnas, Appl.Opt. 17,192(1978).

100. C.J.Barth, M.L.P.Dirkx, B.J.J.Grobben, G.C.H.M.Verhaag, A.T.M.Wilbers, and A.J.Donne, Rev,Sci.Instrum., 63,4947,(1992)

101. H. Salzmann, J. Bundgaard, A. Gadd et.al., //Rev. Sci. Instrum, 59, 1958,1451

102. J.V. Hofmann, Visible Spectroscopy on ASDEX, IPP III/ 174, 1991

103. H. Fajemirokuh, C. Gowers, P. Nielsen, et.al. A highresolution Lidar-Thomson scattering diagnostic for JET// Rev. Sci. Instrum. 61 (10). October 1990

104. C.Walker ITER Diagnostics meeting, Yuligh, Germany, 2001ToreSupra

105. K.H. Steuer, H.Rohr, and B.Kurzan, Bremsstrahlung measurements in the near infrared on Asdex// Rev.Sci.Inctrum. 61 (10), October 1990

106. F. L. Hinton and R. D. Hazeltine, Reviews of Modern Physics, 48, No.2, Parti, April 1978 (239-308).

107. G. V. Pereverzev, P. N. Yushmanov, A. Yu. Dnestrovskii, A. R. Polevoi, K. N. Tarasjan, L. E. Zakharov, ASTRA, An Automatic System for Transport Analysis in a Tokamak, Repor t IPP 5/42, August 1991.

108. A. Polevoi, H. Shirai and T. Takizuka, JAERI -Data/Code 97-014, March 1997.

109. Riviere A.C., Penetration of fast hydrogen atoms into a fusion reactor plasma. // Nucl. Fusion, 1971, Vol. 11, No. 4, 363-369.

110. Пистунович В. И., Некоторые задачи токамака с инжекцией быстрых нейтралов. // Физика плазмы, 1976, т. 2, № 1, 3-23.

111. Трубников Б.А., Столкновение частиц в полностью ионизованной плазме. // Вопросы теории плазмы (под ред. М.А. Леотовича), Вып. 1 / М.: Атомиздат, 1963,98-182.

112. Сивухин Д.В., Кулоновские столкновения в полностью ионизованной плазме. // Вопросы теории плазмы (под ред. М.А. Леотовича), Вып. 4 / М.: Атомиздат, 1964, 81-187.

113. Cordey J.G., Houghton M.J., Problems associated with injection of a high-energy neutral beam into a plasma. // Nucl. Fusion, 1973, Vol. 13, No. 2, 215-220.

114. Connor J.W., Cordey J.G., Effects of neutral injection heating upon toroidal equilibria. //Nucl. Fusion, 1974, Vol. 14, No. 2, 185-190.1571. V -> л- £

115. Fomenko V.V., Exitation of a current in a Maxwellian plasma by means of an ion beam. // Nucl. Fusion, 1975, Vol. 15, No. , 1091-1097.

116. Cordey J.G., Core W.G.F., Energetic particle distribution in a toroidal plasma with neutral injection heating. // Phys. Fluids, 1974, Vol. 17, No. 8, 1626-1630.

117. Heidbrink W.W., Sadler G.J., The behaviour of fast ions in tokamak experiments // Nucl. Fusion, 1994, Vol. 34, No. 4, 535-615.

118. Minaev V.B., Barsukov A.G., Chernyshev F.V., et al., First Results of the Experiment with NBI on the Globus-M Spherical Tokamak. // Proc. of 30th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., St. Petersburg (2003), ECA Vol. 27A, P-2.174.

119. Гусев В К, Деч А.В., Есипов J1.A. и др., Комплекс нейтральной инжекции сферического токамака Глобус-М. // ЖТФ, 2007. т. 77, № 9, 28-43

120. A Pankin et. al., // Computer Physics Communication, 164, 2004, 421427

121. Панасенков А.А., Равичев С.А., Рогов A.B., Источник ионов водорода с периферийным магнитным полем. // Вопросы атомной науки и техники, серия "Термоядерный синтез", 1984, т. 15, № 2, 56-63.

122. Молчанов В.М. Обработка данных физического эксперимента, Спб 1999 г.

123. С.Ю.Толстяков, В.К.Гусев, М.М.Кочергин и др. «Разработка диагностики томсоновского рассеяния на токамаке Глобус-М» ЖТФ, 2006, том 76, выпуск 7

124. Carlstron T.N., Campbell G.L., DeBoo J.C. et al. Design and operation of the multipulse Thomson scattering diagnostic on DIII-D (invited) // Rev. Sci. Instrum. 63, 4901 (1992)

125. LeBlanc Thomson scattering density calibration by Rayleigh and rotational Raman scattering on NSTX // Rev of Sci Inst 2008. V79. N10. p737.

126. Penney С. M. et al. // Journal of the optical society of America 1974. Vol. 64. N. 5. P. 712.

127. Bassan M, Giudicotti L. and Pasqualotto R. Nonlinear optical effects in Raman calibrations of a Thomson scattering system // Appl. Optics 1993. Vol. 32, N. 27, P. 5313.

128. В. B. Kadomtsev, SOv. Journ. of Plasma Physics, 1, 1975, p. 710.

129. V. V. Parail, G. V. Pereverzev, SOv. Joum. of Plasma Physics, 6, 1980, p. 27.

130. A.V. Voronin et al Plasma gun with super fast gas feeding in fusion research. 37th EPS Conference on Plasma Physics 21th 25th June 2010, Ireland P5.192

131. V.K. Gusev et al Investigation of Beam- and Wave- Plasma Interaction in the Globus-M Spherical Tokamak. 23rd IAEA Fusion Energy Conference 11-16 October 2010 Daejon, Korea Rep. EXW/P7-08

132. А.Б.Извозчиков, М.П.Петров, С.Я.Петров и др. Многоканальный анализатор для одновременной регистрации энергетических спектров атомов водорода и дейтерия " АКОРД-12" //ЖТФ, 1992, том 62, выпуск 02

133. В.К.Гусев, С.Е.Бендер, А.В.Деч, Ю.А.Косцов, Р.Г.Левин, А.Б.Минеев, Н.В.Сахаров. «Методы реконструкции равновесия плазмы на сферическом токамаке Глобус-М», ЖТФ, т. 76, вып. 8, с. 25-29.

134. Senichenkov I.Yu., et al., // Proc. of 35th EPS Plasma Phys. Conf., 9-13 June 2008, Hersonissos, Crete, Greece (2008) P-2.097

135. C.M. Roach, R.J. Akers, N.J. Conway et. al. , Confinement in START beam heated discharges// Nucl. Fusion, Vol. 41, No 1.

136. Хромов H.A. и др.,//Тезизы XXXVIII Звенигородской конференции по физике плазмы и У ТС, 2011 г, стр 94.

137. R. Scannell et al., //Rev. Sci. Instrum. 77,10E510 (2006)

138. V. Rozhansky et al.,// Nucl. Fusion 42(2002) 1110-1115

139. S.M. Kaye et. al., Confinement, power balance and local transport results in NSTX, APS-DPP Meeting Albuerque, N.M., October 2003

140. Ryter F. and H-mode Threshold Database Group Progress of the international H-mode power threshold database activity // Plasma Phys. Control. Fusion 44 (2002) A415-A421

141. G. Saibene, L.D. Horton, R. Sartori et. al., The influence of isotope mass, edge magnetic shear and input power on high density ELMy H modes in JET // Nucl. Fusion, v39,1999, pi 133

142. H. Urano, Y. Kamada, H. Shirai et. al., Thermal energy confinement properties of ELMy H mode plasmas in JT-60U // Nucl. Fusion 42 (2002) 76-85л

143. Askinazi L.G., Barsukov A.G., Golant V.E., et al., Preparation of neutral beam injection experiments on Globus-M and TUMAN-3M tokamaks. // Plasma Devices and Operations, 2003, Vol. 11, No. 3, 211-218.

144. Shcherbinin O.N., Chernyshev F.V., Dyachenko V.V. et al., Numerical modelling and experimental study of ICR heating in the spherical tokamak Globus-M. // Nucl. Fusion, 2006, Vol. 46, No. 8, S592-S597.

145. Zohm H., Edge localized modes (ELMs) //Plasma Phys. Control. Fusion 38 (1996) 105-128

146. Connor J.W. Edge-localized modes physics and theory // Plasma Phys. Control. Fusion 40 (1998) 531-542

147. Ф.В. Чернышев и др. // Физика плазмы, 2011, т. 37, N7, стр.595-615.

148. S.M. Кауе, F.M. Levinton, D. Stutman, et. al. //Confinement and local transport in the National Spherical Torus Experiment (NSTX) //Nucl. Fusion47(2007) 499-509

149. Stutman D. et al., // Proc. of 20th IAEA Fusion Energy Conference Vilamora, Portugal, 2004, IAEA-CN-116 EXP2-8

150. В Lloyd, J-W Ahn, R J Akers et. al., MAST and the impact of low aspect ratio on tokamak physics// Plasma Phys. Control. Fusion, 46 (2004) B447-B494

151. B. Lloyd, R.J. Akers, F. Alladio et. al., Overview of physics results from MAST// Nucl. Fusion 47 (2007) S658-S667

152. Stutman D. et al., //34th EPS conference 2007, vol 31F, P-2.061

153. Tresset G., Litaudon X., Moreau D. et. al. A dimensionless criterion forcharacterizing internal transport barriers in JET// Nucl. Fusion. 2002. 42.

154. R J Akers, J W Ahn, G Y Antar et al. Transport and confinement in the Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) plasma// Plasma Phys. Control. Fusion 45 (2003) A175-A204520.