Исследования взаимодействия нижнегибридных и электронно-циклотронных волн с плазмой в токамаках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Ильин, Владимир Иванович

• Ильин, Владимир Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ильин, Владимир Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

I. Обзор литературы.

1.1. Нижнегибридный нагрев плазмы в токамаках.

1.2.Безындукционные методы создания тока в токамаке.

1.3. Создание тока ВЧ волнами в диапазоне нижнегибридных частот.

1.4. Эффективность безындукционной генерации тока в токамаках. 24 II. Первые эксперименты по созданию тока нижнегибридными волнами в ИЯС.

II. 1. Эксперименты на токамаке ТМ-3.

П.2. Эксперименты на токамаке Т-7.

П.2.1. Описание эксперимента.

П.2.2. Результаты эксперимента.

П.2.3. Выводы.

III. Эксперименты по генерации НГ тока на уст Т-7.

III. 1. Результаты экспериментов. 39 III.2. Определение величины НГ тока и эффективности его генерации.

Ш.З. Экспериментальные результаты и квазилинейная теория генерации тока НГ волнами. 48 Ш.ЗД.Взаимодействие ЭЦ волн с электронами НГ «плато».

III.3.1.А. Постановка эксперимента.

III.3.1 .В. Результаты эксперимента.

111.4. Температурная зависимость эффективности генерации тока НГ волнами.

111.4.1. Описание эксперимента.

111.4.2. Результаты эксперимента.

111.4.3. Сравнение экспериментальных данных с предсказаниями квазилинейной теории.

111.5. Выводы. 60 IV. Энергобаланс плазмы при дополнительном нагреве НГ и ЭЦ волнами.

IV. 1. Постановка и результаты эксперимента.

IV.2. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследования взаимодействия нижнегибридных и электронно-циклотронных волн с плазмой в токамаках»

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

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

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

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

Актуальность работы.

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

Пели и задачи работы.

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

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

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

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

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

Научная новизна.

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

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

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

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

Научная и практическая ценность.

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

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

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

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

Автор выносит на защиту

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

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

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

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

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

Апробация работы.

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

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

Структура и объем диссертации

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

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Ильин, Владимир Иванович

IV.2. Выводы.

1. Показано, что в режимах с относительно низкой концентрацией

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ильин, Владимир Иванович, 2003 год

1. Голант В .Е.- ЖТФ, 1971, т.41, №12, с.2492.

2. Голант В.Е., Пилия А.Д.-УФН, 1971, т.104, №3, с.413.

3. Baranov Yu. F., Fedorov V. I.- In: 2nd Varenna-Grenoble Symp., 1980, v.l, p.313.

4. Bellau P. M., Wong K. L. Phys. Fluids, 1978, v.21, №4, p.592.

5. Рубенчик A.M., Рыбак И. Я., Стурман Б. И.-ЖЭТФ, 1974, т.64, №4, с.1364.

6. Рубенчик А. М- Письма в ЖТФ, 1976, т.2, №11, с.521.

7. ГладковскийИ. П. и др. -ЖТФ, 1973, т.43, №8, с.1632.

8. Аликаев В. В. И др. ЖТФ, 1975, т.45, №3, с.523.

9. Nagashima T.,Fujisawa N.-In: 1st Varenna-Grenoble Symp., 1978, v.2, p.281

10. Porkolab V., Bernabei S., Hooke W. M. e.a.- Phys. Rev. Lett., 1977, v.38, p. 230.

11. Brambilla M., Chen Y. P. In 3rd Varenna-Grenoble Symp., 1982, v.2, p. 475.

12. Imai T. e.a. In: 2nd Varenna-Grenoble Symp., 1980, v.l, p.377.

13. KarneyC.F.F.-Phys.Fluids, 1979,v.22,№ll,p.2188.

14. В. В. Параил «Высокочастотный нагрев плазмы», Горький, 1983г.

15. Fisch N.J.-Phys. Rev. Lett., 1978, v. 41, №13, p.873.

16. Клима P., Лонгинов А. В. Физика плазмы, 1979, т. 5, №3, с. 496.

17. Karney С. F. F., Fisch N. J. -Phys. Fluids, 1979, v. 22, №9, p. 1817.

18. Gordey J. G., Eddington J., Start D. F. N. CLM-P636, Abingdon, 1981.

19. Bernabei S. et al. -Phys. Rev. Lett., 1982. Vol. 49, №17. P. 12551258.

20. Porkolab M, et. al. On Proc. The 9- Intl. Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, IAEA, vol.1, p.227., Vienna, 1983.

21. Sakamoto K., and JT-60 team. Heating and current drive experimentsiLwith lower hybrid waves on JT-60. On Proc. The 14- Europ. Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics, Vol. 3 p. 894-897. Madrid, 1987.

22. Parlange et. al. Progress to long pulse operation in TOPE SUPRA. On Proc. 13й Intl. Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, IAEA, vol. I, p. 689-697., Washington, D.C., 1990.

23. Comezano C., JET team. NON-INDUCTIVE current drive in JET. OniL

24. Proc. 14- Intl. Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclea Fusion Research, IAEA, vol. I, p. 587-600., Wurzburg, Germany, 1992.

25. Хилд M., Уортон С. Микроволновая диагностика плазмы. М.: Атомиздат, 1968, с. 237.

26. Иванов Д.П. и др.- Атомная энергия, 1978, т. 45, с. 171.

27. Параил В.В., Погуце О.П. -Физика плазмы, 1976, т. 2, с. 229.

28. Переверзев Г.В., -Письма в ЖЭТФ, т.44, вып.9, с.426., 1986.

29. Schuss J.J. Phys. Fluids, 1985,28,1779.

30. Мережкин В.Г., Муховатов B.C. «Письма в ЖЭТФ», т. 33, с. 463, 1981.