Поведение электронной концентрации в режимах с улучшенным удержанием в токамаке Туман-3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

Аскинази Леонид Георгиевич ПОВЕДЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В РЕЖИМАХ С УЛУЧШЕННЫМ УДЕРЖАНИЕМ В ТОКАМАКЕ ТУМАН-3 (специальность 01.04.08. - физика и химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

СгПетербург - 1994

Работа выполнена в С.-Петербургском Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель : кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Лебедев C.B.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Кутеев В.В.

(СПБГГУ, С.-Петербург),

кандидат физико-математических наук,

Федянии О.И.

(ИОФ РАН, Москва)

Ведущая организация - РНЦ «Курчатовский Институт», Москва.

Защита состоится <fé > 1995г. в < часов m

заседании специализированного совета % Д 003.23.0: физико-технического института им. А.Ф.Иоффе по адресу: 194021 СгПетербург, Политехническая ул., д-26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан « Учёный секретарь

специализированного учёного совета кандидат физико-математических: наук

Орбели А.Л

Ххтуальность темы. Основной задачей экспериментальных исследований, проводимых на токамаках, является определение оптимального пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. Для надежней экстраполяции имеющихся данных на область термоядерных параметров необходимо проведение возможно большего числа экспериментов на установках разного размера, с различными магнитными конфигурациями и в различных режимах удержания и нагрева плазмы.

Для достижения условий термоядерного зажигания параметры плазмы должны удовлетворять определенным условиям, выражаемым критерием Лоусона пге > 1014, где п - плотность плазмы, см"3, а Т£ - время удержания энергии, с. Этим объясняется необходимость получения плазмы с максимальной плотностью. Однако в экспёрименте плотность плазмы в токамаке ограничена некоторой максимально допустимой величиной, попытки преодолеть которую приводят к срыву разряда. Исследование физических механизмов ограничения плотности и "способов ее повышения представляется, таким образом, весьма актуальной задачей.

Как известно, получение плазмы с термоядерными параметрами при применении омического нагрева едва ли осуществимо из-за резкого снижения эффективности этого метода нагрева с ростом температуры плазмы. С другой стороны, применение дополнительного нагрева (СВЧ, нейтральные пучки) требует очень больших мощностей нагрева из-за деградации удержания энергии при дополнительном нагреве. Обнаружение в 1982г. на токамаке ASDEX (Германия) режима улучшенного удержания плазмы - т.н. Н-моды - открыло новые перспективы на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. Впоследствии было обнаружено, что этот режим мог.ет иметь место и без дополнительного нагрева - т.н. омическая Н-мода. В настоящее время Н-мода рассматривается как возможный сценарий работы экспериментального термоядерного реактора ITEK. Физика перехода в И-моду еще не выяснена до конца, а переход в этот режим и выход из него в подавляющем большинстве токамаков происходят спонтанно, что вряд ли пригодно для термоядерного реактора. Актуальность исследования поведения электронной компоненты плазмы в режимах улучшенного удержания определяется

необходимостью выяснения механизмов, ответственных за подавление процессов переноса при переходе в этот режим, и поиска способов управления Н-модой.

Цеди работы. Основными целями данной диссертационной работы явились исследование предельной плотности в токамаке ТУМАН-3 и изучение поведения электронной плотности плазмы при переходе в Н-моду.

Научная новизна. В диссертационной работе показано, что пикирование профиля плазменного тока и снижение рециклинга способствуют получению высоких плотностей плазмы. Подтверждены теоретические представления о влиянии радиального электрического поля и градиента концентрации в периферийной плазме на подавление транспортных процессов в токамаке. Впервые произведено инициирование Н-моды инжекцией макрочастицы.

Практическая значимость работы■ Реализован метод измерения времени удержания частиц в разных режимах удержания, измерена и проанализирована временная эволюция эффективного коэффициента диффузии в Омической Н-моде. Продемонстрировано влияние радиального электрического поля в периферийной плазме на 1,-Н и Н-Ь переход.. Предложен новый метод инициирования Н-моды инжекция макрочастиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально показано благоприятное влияние пикированного профиля плазменного тока и сниженного рециклинга на возможность получения высокой плотности плазмы. В Омической Н-моде в борониэованной камере обнаружено снижение рециклинга и поступления примесей, позволяющее достичь очень высоких плотностей, превышающих 1редел Гринвальда.

2. В экспериментах по поляризации периферийной плазмы посредством введенного в плазму электрода продемонстрирована ключевая роль радиального электрического поля в процессах Ь-Н и Н-Ь переходов. Подтверждена гипотеза о том, что в спонтанной Н-иоде «естественное* радиальное электрическое поле направлено к центру шнура.

3. Впервые продемонстрирована возможность инициирования Н-моды возмущением периферийной плазмы при помощи инжекции

макрочастицы.

4. В Омической Н-моде обнаружено сильное подавление диффузии плазмы . на периферии шнура, сопровождающееся появлением значительного конвективного потока частиц внутрь в градиентной области со скоростями, близкими или превышающими неоклассическую. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазны и управляемому терноядерному синтезу (Звенигород, 1990 - 1994), на Международной конференции по физике плазны и управляемому термоядерному синтезу (Ницца, 1988), на 17 и 18 Европейских конференциях по физике плазмы и УТС (Амстердам, 1990 и Берлин, 1991), на Международной конференции по физике плазмы (Вашингтон, 1992 ), Конференции Американского Физического Общества (Сиэтл, 1992), на 20 Европейской конференции по УТС и физике плазмы (Лисабон, 1993 ) и рр. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ [1-10].

Структура и объём диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы и заключение. В диссертации 171 страница машинописного текста, в том числе 49 рисунков, 2 таблицы и список литературы, включающий 89 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава 1 посвящена рассмотрению экспериментальных методов исследования материального баланса в токамаке. В §1.1 вводятся основные понятия, описывающие баланс частиц на основе уравнения диффузии плазмы: коэффициент диффузии, скорость пинчевания частиц, время удержания частиц, коэффициент рециклинга. В §1.2 и §1.3 рассматривается сущность ограничения плотности плазмы в токамаке. К настоящему времени надежно установлено существование предела плотности плазмы, определены зависимости величины предельной плотности от основных параметров разряда. В то же время, механизм ограничения плотности до скх пор однозначно но установлен. Не ясно, является ли ограничение плотности абсолютным или же оно обусловлено неадекватным выбором сценария и условий разряда токамака, в том числе профиля тока по плазме, содержания примесей и уровня рециклинга.

Общие свойства режима улучшенного удержания - н-мпды

рассматриваются в $1.4. Открытие этого режима позволило существенно расширить область допустимых параметров плазмы в токамаке и, в частности, примерно вдвое увеличить плотность. В подавляющем большинстве токамаков Н-мода наблюдается в разрядах с диверторной конфигурацией магнитного поля и с интенсивным дополнительным нагревом плазмы. В §1.5 рассмотрено улучшение удержания при переходе в Н-моду, которое вызывается образованием транспортного Барьера вблизи последней замкнутой магнитной поверхности. Этот процесс сопровождается, как показано в §1-6, сильными изменениями радиального электрического поля и уровня флуктуации плазмы в этой области.

Основные задачи данной диссертационной работы сформулированы в §1.7:

исследование влияния профиля тока и уровня рециклинга на предельную плотность плазмы в различных режимах работы токамака ТУМАН-3.

исследование возможности наращивания плотности плазмы в токамаке при помощи инжекции макрочастицы,

исследование эволюции электронной плотности плазмы в токамаке ТУМАН-3 в режиме Омической Н-моды,

изучение роли радиального электрического поля в процессе L-H и H-L перехода.

определение пространственной локализации области подавления переноса частиц при переходе в Омическую Н-моду.

исследование возможности искусственного инициирования Н-моды различными воздействиями

Глава 2 диссертации содержит описание основных особенностей токамака ТУМАН-3 и применяемых диагностических методов исследования материального баланса. В §2. J рассматривается конструктивные особенности токамака ТУМАН-3. Камера токамака имеет достаточно малое аспектное отношение R/a = 2.3. Это позволяет в токамаке малых размеров (R = 0.55м, а = 0.25м) в относительно слабом тороидальном магнитном поле (до 10 кГс) получать устойчивые разряды с током до 150 кА. Отсутствие стабилизирующего кожуха, малая толщина стенок кьмеры (1.2мм), изготовленной из нихрома, низкая индуктивность соленоида

тороидального поля и наличие в цепях питания специальных коммутирующих элементов и дополнительных, конденсаторных батареи позволяют производить быстрые (за время порядка 4 ис) изменении тороидального поля и тоха по плазме на квазистационарной стадии разряда. Это дает возможность воздействовать на радиальное распределение плазменного тока. В §2.2 описывается процедура подготовки поверхности стенок вакуумной камеры. Помимо традиционной чистки в индукционном низкотемпературном разряде, в части экспериментов применялось покрытие стенок камеры борсодержащим соединением по технологии, разработанной в Институте физической химии РАН и ТРИНИТИ. Диагностические методы, используемые на токамаке ГУМАН-3 для исследования баланса частиц, рассматриваются в §2.3. Для получения информации о временной эволюции профиля электронной плотности плазмы в основной части шнура используется десятиканальная СВЧ-интерферометрия с последующей «абелизацией» хордовых профилей по алгоритму БоКастена. В тени диафрагмы поведение электронной концентрации измерялось при помощи зондов Лэнгмюра, работающих в режиме ионного тока насыщения. Кроме того, в отдельных экспериментах трехэлектродный зонд использовался для измерения потока частиц Гг=с<пД^>/В^ обусловленного флуктуациями электронной плотности в периферийной плазне. Для измерения источника заряженных частиц использовались фотодиодные датчики оптического излучения плазмы в видимой области спектра с фильтрами типа КС-13, выделявшими излучение с длиной волны, близкой к длине волны линии Р . Для учета вклада различных составляющих в полный источни. частиц датчики устанавливались в различных сечениях камеры: вблизи клапана газонапуска, вблизи диафрагмы, на стенке камеры. Датчики были абсолютно прокалиброваны в экспериментах с периодической или импульсной модуляцией газонапуска [1], что позволяло определить время удержания частиц: г =И/ (оси^+ри^-йМ/с!*.), где N - полное число электронов в плазме, икл и ист - сигналы датчико» пинии установленных вблизи клапана и вдалеке от него, а и ¡3 соответствующие калибровочные коэффициенты.

В $2.4 приводится методика исследования локального переноса вещества, применявшаяся на ТУМАНе-3. Для этой цели использовляось

уравнение диффузии в цилиндрическом приближении. При таком подходе в рамках кваэистацпонарной задачи не удается независимо определить коэффициент диффузии О и скорость линчевания v , поскольку для них имеется лишь одно уравнение, из которого может быть определен только т.н. эффективный коэффициент диффузии:

D(r,t) ---2---(1)

0lMr,t)

эг

где n(r,t) - концентрация плазмы, S - источник заряженных частиц. Для вычисления коэффициента диффузии по формуле (1) использовались симметризованные и абелизированные профили плотности плазмы, полученные в результате

СВЧ-интерферометрического измерения эволюции радиального распределения плотности. Для определения радиального распределения источника частиц S(r,t) производился модельный расчет его посредством решения кинетического уравнения для нейтральных атомов в одномерном плоском приближении, с учетом ионизации и эстафетной перезарядки. В расчете использовались экспериментально измеренные значения электронной плотности и температуры в периферийной части шнура. В качестве граничного условия для расчета радиального распределения источника использовались абсолютные измерения источника частиц; таким образом, зависимость источника от времени определялась временной зависимостью интенсивности излучения линии D^, измеренной в патрубке газонапуска и в сечении, удаленном от клапана. Для проведения расчетов применялся транспортный код ASTRA, разработанный в ИАЭ им. И.В.Курчатова.

При достаточно высоких параметрах плазмы - средней концентрации и токе - переход в Омическую Н-моду в токамаке ТУКАН—3 происходит самопроизвольно. Такой режим, однако, не очень удобен с точки зрения надежности измерения параметров плазмы после перехода, поскольку момент перехода может меняться от разряда к разряду в некоторых пределах. Степень улучшения удержания в результате перехода также может не быть постоянной. Поэтому представлялось целесообразным применить стимулирование

перехода в Н-моду каким-либо внешним воадействием на плазму. Эта задача имеет и самостоятельное значение, обусловленное необходимостью управления Н-модой п проектируемом в настоящее время токамаке-реакторе ITER. Три метода инициирования Н-моды, исследованные в диссертационной работе - с помощью импульсного газонапуска, поляризации периферийной плазмы и инжекции макрочастиц - описаны в S2.5.

Одним из наиболее простых и удобных в практическом отношении способов инициирования перехода в Н-моду оказался импульсный газонапуск. При этом на квазистационарной стадии разряда на клапан гаэонапуска подавался дополнительный импульс напряжения длительностью 2-Змс. В отношении амплитуды и длительности импульса наблюдался пороговый эффект: переход в Н-моду происходил только при значениях амплитуды и длительности больше некоторых (связанных между собой) значений. Большинство измерений параметров плазмы в Н-моде, результаты хоторых сообщаются в данной работе, было произведено в разрядах с переходом в Н-моду, вызванным импульсным напуском газа.

С целью изучения влияния радиального электрического поля на процесс перехода в Н-моду были произведены эксперименты по поляризации периферийной плазмы токамака ТУМАН-3 при помощи введенного в плазму (на расстояние =»40 мм вглубь от последней замкнутой магнитной поверхности) электрода, на который подавался потенциал (относительно стенок камеры и диафрагмы) от специальной батареи. Размеры контактирующего с плазмой молибденового наконечника электрода (диаметр 35мм, толщина 15мм) были ! алы, так что он не являлся диафрагмой, но в то же время достаточны, чтобы изменить потенциал на значительной части магнитной поверхности и создать, тем самым, радиальное электрическое поле в периферийной плазме. Электрическая схема включения электрода позволяла подавать на электрод, начиная с некоторого выбранного момента времени, хваэипосгоянное напряжение величиной до 1000 В обеих полярностей. Для измерения напряжения на электроде и тока, текущего по нему, применялись изолирующие усилители.

В §2.6 описана конструкция и диагностическое обеспечение газодинамического инжектора, разработанного на кафедре физики

ппазиы СПВГТУ. Инжектор работает при комнатной температуре и позволяет ускорять макрочастицы размером 0.1-0.8 мм до скорости 30-200 м/с. В экспериментах на ТУМАНе-3 инжекция макрочастицы из LiD применялась для подъема плотности плазмы и для инициирования Н-моды.

Основные методические результаты диссертации приводятся в $2.7. Они таковы.

1. Для исследования поведения электронной компоненты плазмы в различных режимах работы токамака ТУМАН-3 (режимы с высокой плотностью, Н-мода) создан диагностичесий комплекс, позволяющий изучать погедение источника частиц (датчики линии dq) и эволюцию плотности периферийной плазмы и потоков частиц, переносимых флуктуацияии электронной плотности (двух- и трехэлектродные зонды Лэнгмюра)

2. Разработана методика абсолютной калибровки датчиков линии dq, позволяющая измерять время удержания частиц в плазме и уровень рециклинга.

3. Разработанная система возбуждения радиального электрического поля в периферийной плазме токамака ТУМАН-3 позволяет инициировать переход в Омическую Н-моду и исследовать влияние электрического поля на удержание.

4 . Налажен инжектор макрочастиц, позволяющий создавать в плазме токамака ТУМАН-3 локальное возмущение плотности. В зависимости от режима инжекции возможно получение плотности плазмы, близкой к предельной, или создание возмущения периферийной плазмы с целью инициирования перехода в Н-моду.

Глава 3 содержит результаты исследования предельной плотности на токамаке ТУМАН-3. В §3.1 описаны эксперименты по подъему плотности плазмы в разряде с одновременным сжатием плазменного шнура нарастающим магнитным полем и быстрым подъемом тока. Продольное поле достигало максимума через 3.5 мс после включения сжатия, а ток по плазме — через 4.5 мс. Максимальная величина плазменного тока составляла 140 кА, тороидального магнитного поля - 6.7 кГс. Применение этих воздействий в сочетании с интенсивным напуском газа позволило получить плазму < необычно высокой для ТУМАНа-3 плотностью - до 5.2 1013см3, что в

2 раза превышает ранее существовавший на установке предел. Этот режим получил название HDM - High Density Mode [2,3,4]. Как было установлено, плотность в данном режиме ограничивалась не физическими причинами - например, возникновением срыва, а производительностью клапана гаэонапуска. Радиационные потери даже при самих высоких плотностях не превышали 50% от мощности омического нагрева. Невозможность дальнейшего роста плотности, таким образом, была обуслдвлена не приближением к пределу, а особенностями конструкции систем» газонапуска.

Рост плотности в HDM сопровождался снижением свечения линии Da в сечении, удаленном от клапана газонапуска; это означает уменьшение потока частиц из плазмы на стенку и, следовательно, улучшение удержания частиц. Расчет времени удержания частиц,

выполненный по методике, описанной в Главе 2, показывает, что

«

время удержания частиц т изменялось от 2.5 мс в стадии

р

омического нагрева до 12-15 мс в HDM. Время, за которое плотность плазмы в HDM приближалась к своему новому квазистационарному значению, также составляло 12-15 мс. Время удержания энергии в HDM возрастало от 1.5мс до 6.5мс, что превышает предсказания экстраполированной зависимости х - п .

В режиме HDM возможность значительного наращивания плотности определяется комбинированным воздействием магнитного сжатия и подъема тока. С точки зрения влияния на профиль тока, эти воздействия носят противоположный характер: магнитное сжатие ведет к обострению профиля тока, а подгем тока - к уширению его. Для дальнейшего изучения влияния профиля тока на вс можность наращивания плотности плазмы были предприняты эксперименты по подъему концентрации в разрядах со сжатием шнура при постоянном токе, и в разрядах с подъемом тока при постоянном магнитном поле. Результаты этих экспериментов приводятся в $3.2. Как было обнаружено, магнитное сжатие приводит к снижению рециклинга и позволяет значительно поднять плотность плазмы - от 1.2 10 см до 4 10,3см"3. Это соответствует 0.8 от предельной плотности по Гринвальду. Наоборот, в разрядах с подъемом тока при постоянном магнитном поле увеличить плотность плазмы не удаотся. R таком разряде профиль тока уширен за счет скиновых токов, а рециклинг

существенно возрастает. Интенсивный гаэонапуск в таких условиях ведет к срыву. Максимальная достигавшаяся плотность составляла -2 1013см"\

Как показано далее (Глава 4, §4.5), в Омической Н-моде в камере со стенками, покрытыми борсодержацин соединенней, благодаря пониженному рециклингу, также удается весьма существенно увеличить плотность плазмы.

Одним из эффективных методов, позволяющих избежать увеличения рециклинга при подъеме плотности, является инжекция макрочастиц, эксперименты с которой описаны в $3.3. При соответструющем выборе размера (0.1-0.15мм) и скорости (130-150м/с) макрочастицы, изготовленной из дейтерита лития, создается дополнительный источник частиц в центральной области шнура без существенного возмущения периферийной плазмы. В режиме омического нагрева [5] инжекция макрочастиц позволяла поднять плотность примерно в 1.5 раза: от 1.2 101эсм~э до 1.8 1013см~3. При инжекции в режиме HDM увеличение плотности было примерно вдвое меньше: от 3 10,3см~3 до 3.3 1013см"э. Невозможность сильнее поднять плотность плазмы в HDM в этих экспериментах связана, по всей видимости,с неадекватными вакуумными условиями.

Выводы по исследованию предельной плотности в токамаке ТУМАН-3 сфомулированы в S3.4. Они сводятся к следующему.

1. В экспериментах по наращиванию плотности плазмы в ходе быстрого подъема тока и одновременного магнитного сжатия шнура по малому радиусу обнаружен режим с высокой плотностью плазмы - HDM.

13 „э

Наибольшая достигнутая в HDM плотность плазмы -5.2 10 см -вдвое превышает ранее достигавшуюся на ТУМАНе-3 в режиме омического нагрева и составляет 0.85 от предела Гринвальда.

2. Удержание вещества в HDM оказывается в 5-6 раз лучше, чем в режиме омического нагрева. Время удержания частиц увеличивается

от 2.5 мс в ОН до 12-15 ис в HDM, что примерно в 1.5 раза больше,

• _

чем линейная зависимость т - п .

р е

3. Увеличение концентрации в HDM не приводит к чрезмерному росту радиационных потерь. При максимальной плотности в HDM

рРаД/рон <0.5.

4. Перечисленные в пп. 1-3 особенности поведения плазмы в

НОМ позволяют заключить, что в этом режиме не наблюдалось приближения плотности к предельному значению, хотя величина плотности достигала 0.85 от предела Гринвалъда. Иными словами, в этом режиме удалось суцественно увеличить предельную плотность.

5. Как свидетельствуют эксперименты с магнитным сжатием при

и подъемом тока при Вт=сопв1, важное значение для возможности наращивания плотности имеют распределение плазменного тока по сечению шнура и уровень рециклинга. Существенное увеличение плотности возможно при пикированных профилях тоха и сниженном рециклинге. Наоборот, уширенное распределение тока, как и повышенный рециклинг, препятствуют увеличению плотности плазмы.

6. В экспериментах по икжекции макрочастиц продемонстрирована возможность использования метода для подъема плотности плазмы. В режиме омического нагрева инжекция макрочастицы позволила увеличить плотность плазмы в 1.5 паза. При инжекции в режиме НСМ увеличение плотности составляло примерно 25%.

Глава 4 посвящена исследованию Омической Н-моды на тохамаке ТУМАН-3. Феноменологические признаки Н-моды рассматриваются в 84.1. Сразу после перехода в Н-моду излучение линии падает примерно в 1.5-2 раза, а плотность плазмы начинает нарастать. Рост интенсивности сигнала мягкого рентгеновского излучения свидетельствует о повышении электронной температуры плазмы. Таким образом, после перехода в Н-моду наблюдается увеличение плотности и энергосодержания плазмы при пониженном источнике частиц и постоянной мощности омического нагрева плазмы, что означает улучшение удержания частиц и энергии после перехода. Построенная по результатам этих экспериментов зависимость времени удержания энергии от плотности плазми показывает превышение линейной зависимости, характерной для режима омического нагрева. После перехода в Н-моду начинается накопление примесей в плазме, вызванное улучшением удержания частиц. Это проявляется в постепенном увеличении радиационных потерь и напряжения на обходе плазмы и, в конце концов, может привести к срыву разряда. После перехода в Н-моду происходит быстрое формирование транспортного барьера на периферии плазменного шнура, что проявляется в

образовании области крутого градиента электронной плотности и температуры вблизи границы плазмы. Сопоставление данных интерферометричесхой диагностики и эондовых измерений позволяет заключить, что зона улучшения удержания частиц при переходе в Н-моду локализована в градиентной области 3 г * ^/2. Причиной подавления переноса вещества при переходе в Н-моду является, по-видимому, подавление флуктуаций электронной плотности плазмы. Это предположение подтверждается результатами измерений потока частиц, переносимого флуктуациями электронной плотности, проведенных при помощи лэнгмюровских зондов корреляционным методом: от 2 1017см"2с"1 до 0.8 1017см"2с"1.

В §4.2 сообщаются результаты исследования влияния радиального электрического поля на переход в Н-моду. Основные результаты этих экспериментов описаны в [6,7,6,9]

На квазистационарной стадии разряда на введенный в

периферийную плазму электрод подавался потенциал (положительный

или отрицательный) относительно стенок вакуумной камеры.

Диафрагмы находились под потенциалом камеры. Если прилагаемый к

электроду отрицательный потенциал превышал по абсолютной величине

250В, в плазме развивались процессы, имеющие все признаки,

свойственные самопроизвольному переходу в Н-моду. Положительное

напряжение также вызывало переход в Н-моду, но для этого

требовалось, чтобы потенциал электрода превышал 500В. Кроме того,

в случае приложения положительного потенциала (т.е. радиального

электрического поля, направленного наружу), улучшение удержания

било не столь сильным. Времена удержания частиц в Н-мсде при

положительной и отрицательной поляризации и в режине омического

нагрева составляли, соответственно: т* » 4.3мс, т~ ■ 7.9мс, т0Н"

' р р р

2.5 мс. Более сильный рост сигнала мягхого рентгеновского

излучения в случае отрицательной поляризации отражает Более

значительное повышение электронной температуры в центре разряда и

качественно свидетельствует о большем увеличении времени

удержания энергии. Таким образом, по своим внешним проявлениям

Н-мода, инициируемая отрицательным электрическим полем, очень

близка к спонтанной Омической Н-моде. Это позволяет предположить,

что * естественное» электрическое поле, возникающее при

самопроизвольной переходе, направлено к центру плазменного шнура. Другое подтверждение правильности этого представления следут из эксперимента по подаче на электрод положительного потенциала во время Н-моди, предварительно инициированной импульсом газонапуска: посла подачи напряжения происходило отключение режима улучшенного удержания. Такая эволюция параметров плазмы свидетельствует о том, что в Н-моде на периферии существует сильное радиальное электрическое поле, направленное к центру шнура. При компенсации этого поля противоположным по знаку внешним полем происходит возврат в режим с обыкновенным удержанием. При подаче потенциала в цепи электрода регистрировался значительный ток - . до 100А, что близко' к значениям, предсказываемым теорией.

Эксперименты по инициированию Н-моды при помощи инжекции макрочастицы описаны в Поскольку в этих экспериментах

требовалось, чтобы возмущение плотности было локализовано на границе шнура, скорость макрочастицы и ее размер выбирались достаточно малыми (уаЗОм/с, с1г0.2мм). Из-за разброса размеров макрочастицы и скорости инжекции переход в Н-моду происходил не в каждом эксперименте. Факт инициирования Н-моды подтверждается тем, что после завершения испарения макрочастицы плотность плазмы не начинает спадать, а нарастает в течение примерно 5мс. Интенсивность излучения линии при этом существенно снижена. Увеличение интенсивности сигнала мягкого рентгеновского излучения свидетельствует о росте электронной температуры плдэмы. Предложенный для объяснения этих экспериментов механизм состоит в том, что возмущение плотности периферийной плазмы в результате испарения макрочастицы приводит, согласно неоклассической теории, к возникновению сильного неоднородного радиального электрического поля, которое и вызывает улучшение удержания частиц и энергии.

В $4.4 содержатся результаты исследования переноса вещества в Омической Н-моде в токамаке ТУМАН-3. Для анализа использовались разряды со следующими параметрами плазмы (в скобках - на стадии

омического нагрева): X з115-120кА, п^з 3.5 1013см~3 (1.5

1013см 3) , Т а 0.6 кэВ (0.4 кэВ), Т а 0.12 кэВ, аС"'з 2.45. ' еО ю ^

Переход в Н-моду в этих экспериментах инициировался импульсом

газонапуска на квазистационарной стадии разряда.

К ах показывают измерения эволюция профиля электронной плотности плазмы, сразу после перехода ь Н-моду быстро (в первые 2 мс после перехода) .формируется транспортный барьер в области г г 25см. В то же время, увеличение концентрации в центральных областях происходит гораздо медленнее, и в Течение -13-15 мс существует «провальное» распределение плотности плазмы по радиусу. Определение эффективного коэффициента диффузии производилось при помощи кода ASTRA по методике, описанной в S2.4. Обнаружено значительное - в 4 раза - подавление потока частиц в периферийной плазме (0.7 < г/а < 0.9) после перехода в Н-моду. В градиентной области (0.4 < V/Щ < 0.7) в Н-моде эффективный коэффициент диффузии становится отрицательным, что означает, что величина конвектигчого потока частиц к центру разряда начинает превышать диффузионный поток наружу. Учет в

upo neo

явном виде пинчевания частиц со скоростью kv , где v неоклассическое значение, k а 2 - коэффициент аномальности, не позволяет, однако, получить положительный коэффициент диффузии во всей градиентной зоне. Этот результат позволяет заключить, что пинчевой поток частиц существенно аномален. Как было отмечено выше, после перехода в Н-моду примерно в течение -13-15 мс существует «йровальное» распределение плотности плазмы по радиусу. При этом в окрестности поверхности г и 0.4а градиент концентрации близок к нулю. Поэтому полный поток в этой точке является чисто хонвехтивным Г to.««> « v, s, что позволяет

tot dr

непосредственно из экспериментальных данных определить скорость пинчевания частиц в этой области:

vir<o.4»i=(S(o.4«i-dN(0.4»)/dt)/n(o.*»)»3.5m/c, где 8«з.м и

N(0.4») - .источник частиц и полное число частиц внутри поверхности радиуса 0.4а. Это npt-вышаат неоклассическое значение скорости пинчевания: v^al. 4бсс°'ЕЕ/Вра2.3м/с, где с - скорость света, с*0.18, Е - продольно.! электрическое поле, Вр полоидальное магнитное поле.

В §4.5 рассматривается влияние боронизации стенок вакуумной камеры на параметры плазмы в Омической Н-моде. Воронизация привела к существенному уменьшению содержания примесей в плазме

(кислорода - а 4-8 pas, углерода - в 2-3 раза). Технология борониэации токамака ТУМАН-3, произведенной совнестно с сотрудниками ТРИНИТИ (Троицк), подробно описана в Главе 2h S2.2. Воронизация дала возможность увеличить ток по плазме до 155 кА, плотность плазмы до 5 10,3см*3 [10].

В результате снижения концентрации примесей в плазме

благодаря боронизацип напряжение на обходе после перехода в

Н-моду уменьшилось до -0.8 В. Это существенно ниже, чем в случае

разряда в камере с чисто металлическими стенками. Расчет по

проводимости плазмы среднего по сечению внура эффективного заряда

ионов плазмы дает для этого режима величину 2^{f-0.S, что лишено

физического смысла. По всей видимости, это означает необходимость

учета бутстрэп-тока при анализе проводимости плазмы в этом

режиме. Поскольку плотность бутстрэп-тока пропорциональна

градиенту давления плазмы, в Омической Н-моде в ТУМАНе-3 величина

его может оказаться значительной. Учет бутстрэп-тока в явном виде

по фориулам неоклассической теории с использованием измеренных

профилей электронной температуры и концентрации позволяет

согласовать расчетное и экспериментально измеренное напряжения на

обходе, полагая 2 ff-l. При этом доля бутстрэп-тока в полном

плазменной токе составляет X /1-0.17.

ь р

В Н-моДе в боронизованой камере удалось получить плотность плазмы, превышающую предел Гринвальда (2.71 [Ma]/а2[м]). Параметр Хыогилла достигал в этих разрядах величины qCYLnR/BT=i 17. Разряд с такими параметрами обычно заканчивался без срыва, а причиной прекращения роста плотности (примерно на 70 мс разряда) служил, по-видимому, спад тока и магнитного поля. Таким образом, в Н-моде в боронизованной камере, как и в режиме с высокой плотностью (HDM), предельная плотность плазмы определялась не приближением к срыву разряда, а производительностью системы газонапуска и небольшой длительностью разряда.

Основные результаты исследования Омической Н-моды на токамаке ТУМАН-3 приведены в §4.6:

1. На токамаке ТУМАН-3 с круговым сечением без использования дополнительного нагрева обнаружен режим улучшенного удержания плазмы - Н-мода.

2. Показано, что радиальное электрическое поле обоих знаков, создаваемое введенный в плазму электродом, способно инициировать переход в Н-моду. При этом пороговое значение потенциала инициирующего электрода составляет - 250 В для положительного потенциала и 500 В для отрицательного. Н-мода, инициированная отрицательным электрическим полем, имеет все признаки улучшения удержания, свойственные спонтанной Н-моде. Эксперименты по отключению спонтанно включившейся Н-моды положительным радиальным электрическим полем подтверждают идею о том, что «естественное» радиальное электрическое поле направлено к центру разряда.

3. Предложен и Продемонстрирован новый способ инициирования Н-моды при помощи низкоскоростной (порядка 30-50 м/с) инжекции макрочастицы, испаряющейся на периферии плазменного шнура. Возмущение плотности периферийной плазмы в результате испарения макрочастицы приводит, согласно неоклассической теории, к возникновению сильного неоднородного радиального электрического поля, которое и вызывает, по-видимому, улучшение удержания частиц и энергии.

4. После перехода в Н-моду происходит быстрое - в течение 2-3 мс - формирование области крутого градиента плотности (т.н. траспортного барьера) на периферии плазменного шнура. В центральной части шнура плотность нарастает значительно медленнее, и в течение 13-15 мс существует провальный профиль концентрации плазмы. Эффективный коэффициент диффузии частиц на периферии шнура падает в ~4 раза. В области 0.4 а г/а * 0.8 в Н-моде 0*гг< 0, что означает наличие сильного конвективного потока частиц к центру разряда. Оценки показывают, что величина скорости пинчевания частиц аз.5 м/с превышает неоклассическое значение . 4бсс°'5Е/В а 2.3 и/С.

5. Покрытие стенок камеры токамака бором позволило увеличить ток по плазме до 160 кА, плотность плазмы в Н-моде до 5 1013см"3. В результате снижения концентрации примесей в плазме благодаря боронизации напряжение на обходе после перехода в Н-моду составляет -0.8 В. Столь низкое значение напряжения на обходе не может быть объяснено в рамках спитцеровской или неоклассической проводимости без учета бутстрэп-тока, возникающего из-за

увеличения градиентов плотности и температуры плазмы после перехода в Н-моду. Расчеты показывают, что доля бутстрэп-тока в полном плазменном токе в борониэованной камере составляет I /I -0.17.

ь р

б. В Н-моде в борониэованной камере плотность нарастала до значений, превышающих предел Гринвальда. Параметр Хьюгилла достигал в этих разрядах 17. При этом, дальнеший рост плотности ограничивался не срывом разряда, а производительностью системы гаэонапуска и длительность» разряда.

В Заключении суммированы результаты методической части диссертации (изложенные подробно в S2 . 7), выводы из исследования предельной плотности (S3.4) и эспериментов с Омической Н-модой (S4.6).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. J1. Г. Аскинази, С.В.Лебедев и С .П. Ярошевич, «Определение времени жизни частиц в токамаке при помощп периодической модуляции потока газа», Письма в ЖТФ, т.16, вып.11, стр.10-13, 1990,

2. Л.Г.Аскинази, Т.Ю.Акатова, В.Е.Голант и др, «Режим омического нагрева с высокой плотностью на токамаке ТУКАН-3», Письма в ЖЭТФ, т.52, вып.З, с.786-789, 1990,

3. L.G.Askinazi, T.Yu.Akatova, V.E.Golant et al, "High Density Mode in TUMAN-3 tokamak", Proc. 17th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Heating, Amsterdam, 1990, v.14B, part 1, p.411-414.

4. L.G.Askinazi, T.Yu.Akatova, V.I.Afanasiev et al, "Investigation of improved confinement regimes and density limit in the TUMAN-3 tokamak", Proc. 13 IAEA Conf. on Plasma Phys. and Contr. Nucl. Fusion Res., Washington, 1990, p.509-521.

5. L.G.Askinazi, S.V.Lebedev, S.M.Egorov et al, "Preliminary experiments with LiD pellet injection in TUMAN-3", ITER physics R&D reports, Task PH17, ITER-TN-PH-0-6/PH-17, September 1990.

6. L.G.Askinazi, V.E.Golant, S.V.Lebedev et al, "H-mode in the

TUMAN-3 tokamak triggered by edge plasma perturbation", Phya. Fluids B, 1993, v.5, M7, 2420-2427. 7. Xi.G.Askinazi, V.E.Golant, E.R.Its et al, "Edge Plasma Behaviour in Ohmic H-mode and Edge Polarization in TUMAH-3", Proc. 18th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics, Berlin, 1991, v.ISC, part 1, p.401-404. в. Л.Г.Аскинази, В.Е.Голанг, Е.Р.Итс и др., «Эксперименты по инициировании Н-режима удержания с помощью радиального электрического поля в токамаке ТУМАН-3», Письма в ЖЭТФ, т.54, N6, с.315-318, 1992,

9. L.G.Askinazi, V.E.Golant, S.V.Lebedev et al, "Radial Current in a Tokamak Caused by a Biased Electrode", Nuclear Fusion, 1992, V.32, p.271-277.

10. L. G .Askinazi, V.E.Golant, ¿..I.Kanaev et al, "Transport Studies in Ohmic H-mode Before and After Boronization in TUMAH-3", Proc. 20th EPS Conf. on Contr. ïtision and Plasma Physics, Lisboa, 1993, v.17C, part 4, p.1509-1512.

Отпечатано в типографии ЦШФ

Зав. 98, тир. 100, уч.-изд.л. I; 2бЛ-1995г. Бесплатно