ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 10, с. 875-886
= СТЕЛЛАРАТОРЫ
УДК 533.9
ДВИЖЕНИЕ ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОГО НАГРЕВА ПЛАЗМЫ В ТРЕХМЕРНОЙ МАГНИТНОЙ КОНФИГУРАЦИИ СТЕЛЛАРАТОРА Л-2М И ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОВОЛНОВОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
© 2014 г. Г. М. Батанов*, В. Д. Борзосеков*, Л. В. Колик*, Е. М. Кончеков*, Д. В. Малахов*, **, А. Е. Петров*, К. А. Сарксян*, А. С. Сахаров*, Н. Н. Скворцова****, В. Д. Степахин*, М. А. Терещенко*, Н. К. Харчев*
* Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия ** МГТУим. Н.Э. Баумана, Москва, Россия *** Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия
e-mail: batanov@fpl.gpi.ru Поступила в редакцию 07.03.2014 г.
Исследовано отражение необыкновенной волны, используемой для электронно-циклотронного (ЭЦ) нагрева плазмы на второй гармонике гирочастоты электронов в трехмерной магнитной конфигурации стелларатора Л-2М при наклонном падении микроволнового пучка на плазменный слой. ЭЦ-нагрев осуществляется с помощью двух гиротронов с суммарной мощностью 600—700 кВт (удельная мощность нагрева 2.4—2.8 МВт/м3). Движение области ЭЦ-нагрева регистрировалось с помощью измерения фазы отраженной необыкновенной волны. Установлено движение области ЭЦ-нагрева из центра плазменного шнура на периферию при росте плотности плазмы и измерены коэффициенты отражения. С помощью обратного рассеяния греющего излучения изучены спектры коротковолновых флуктуаций плотности (ks « 30 см-1), и измерены коэффициенты обратного рассеяния. Обнаружен десятикратный рост энергии коротковолновых флуктуаций плотности и возрастание спектральной плотности колебаний в диапазоне частот 0.3-1.5 МГц.
DOI: 10.7868/S0367292114100011
1. ВВЕДЕНИЕ
Электронно-циклотронный (ЭЦ) нагрев плазмы в тороидальных магнитных ловушках (тока-маках и стеллараторах) сопровождается рядом нестационарных процессов, протекающих как в плазменном шнуре, так и на его периферии в пристеночной области ловушек. Дополнительный ЭЦ-нагрев ведет к образованию транспортных барьеров [1], подавлению пилообразных колебаний [2], подавлению тиринг-неустойчивости [3], изменению уровня коротковолновой турбулентности [4, 5], и вследствие этого — к изменению процессов взаимодействия плазма-стенка
[6]. В итоге происходит изменение величины плотности плазмы и ее радиального профиля. Этот процесс в той или иной степени изменяет рефракцию микроволнового пучка, вызывающего ЭЦ-нагрев и, соответственно, может приводить к изменению распределения энерговыделения при ЭЦ-нагреве. Изменение распределения энерговыделения в свою очередь влияет на процессы переноса и энергетический баланса плазменном шнуре. Так, на стеллараторе НеНо^оп-Е
[7] было показано, что смещение области ЭЦ-на-грева по радиусу плазмы приводит к изменению
радиального профиля температуры электронов от колоколообразного к распределению с минимумом на оси плазменного шнура. А на токамаке DIII-D дополнительный ЭЦ-нагрев, область которого была смещена по радиусу от центра плазмы, вызывал изменение профиля температуры электронов и рост коротковолновых флуктуаций плотности, объясняемый как следствие роста инкремента электронной температурно-градиент-ной неустойчивости (electron temperature gradient (ETG) mode) [4].1
В трехмерной геометрии стелларатора Л-2М рост плотности плазмы в течение ЭЦ-нагрева может приводить к смещению области ЭЦ-нагрева по радиусу плазменного шнура из-за рефракции микроволнового пучка и, следовательно, к эффектам, аналогичным наблюдавшимся на He-liotron-E и DIII-D. Поэтому представляется интересным изучить влияние роста плотности плазмы в течение ЭЦ-нагрева на смещение области ЭЦ-нагрева и характеристики коротковолновых
1 Влияние профиля нагрева на возбуждение ETG моды в отсутствии ЭЦ-нагрева было исследовано на токамаках ФТ-2 и NSTX (см. обзор [8]).
флуктуаций плотности при высоких удельных мощностях ЭЦ-нагрева (~2.4 МВт/м3), достигнутых в настоящее время на Л-2М [9].
Целью настоящей статьи является изложение результатов наблюдения перемещения области ЭЦ-нагрева в трехмерной конфигурации стелла-ратора Л-2М и сопровождающего это движение изменения характеристик коротковолновой турбулентности.
2. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Эксперименты были выполнены в основной магнитной конфигурации стелларатора Л-2М. Угол вращательного преобразования на оси г(0)/2я = 0.18, на граничной магнитной поверхности г(а)/2я = 0.78. Магнитная ось невозмущенной плазмой магнитной конфигурации смещена внутрь тора на Аг = 2.6 см относительно оси вакуумной камеры с большим радиусом Я = 100 см. Средний радиус граничной магнитной поверхности а = 11.5 см (соответствует значению радиуса магнитной поверхности с равной площадью, но круглым сечением).
ЭЦ-нагрев в данных экспериментах осуществлялся с помощью двух гиротронов фирмы "ГИКОМ" (Россия) с суммарной мощностью 600—700 кВт (удельная плотность мощности нагрева 2.4—2.8 МВтм-3) и частотой/0 = ю0/2я « 75 ГГц на второй гармонике гирочастоты электронов. Пучки гиротронов вводились в разные сечения камеры, разнесенныев разные сечения камеры, разнесенные по длине тора. Магнитное поле на оси вакуумной камеры составляло 1.29—1.35 Тл. Среднее значение плотности плазмы по центральной хорде сечения шнура в течение разряда менялось от 1.4 х 1013 до 3.0 х 1013 см-3. Перед экспериментами проводился прогрев вакуумной камеры, тренировка стенок с помощью тлеющего разряда и их боронизация по методике, описанной в [10].
На рис. 1 представлены результаты расчетов лучевой траектории, соответствующей оси пучка, вводимого в плазму излучения, для нескольких профилей плотности, близких к экспериментальным. В поперечном сечении, в котором осуществляется ввод пучка, величина магнитного поля на оси плазменного шнура равна "холодному" (без учета релятивистских поправок на температуру электронов) резонансному значению для второй гармоники гирочастоты В0 = 1.34 Тл. Расчеты проводились с помощью численного кода TRUBA [11]; при вычислениях тензора диэлектрической проницаемости плазмы использовалось слаборелятивистское приближение. Как видно из рис. 1, рост плотности плазмы вызывает
отклонение пучка вверх в полоидальной проекции и вбок от базового поперечного сечения, сопровождаемое отдалением области ЭЦ-нагрева от оси плазмы. Таким образом, при приближении максимального значения плотности плазмы во внешней части ее радиального профиля к 3.5 х 1013 см-3 (плотность отсечки) область ЭЦ-нагрева смещается на периферию плазмы. Отметим, что суммарный эффект обусловлен не только смещением положения пересечения пучка с поверхностью, соответствующей значению магнитного поля 1.34 Тл, но и небольшим увеличением продольной составляющей волнового вектора. Последнее обстоятельство приводит к некоторому сдвигу области резонансного взаимодействия в сторону меньшего магнитного поля, а малый угол между осью пучка и поверхностями постоянного магнитного поля делает эффект геометрического смещения резонансной области весьма заметным.
Для определения координаты области отражения измерялось изменение фазы отраженного пучка при изменении средней плотности плазмы, как это описано в [12]. Линейно поляризованное излучение гиротрона, создающего и нагревающего плазму, расщепляется при входе в плазменный шнур на необыкновенную (Х) и обыкновенную (О) волны. Необыкновенная волна наряду с поглощением испытывает отражение в области ги-рорезонанса. Изменение фазового набега этой волны Афх относительно опорной волны (выделяемой из излучения гиротрона до попадания в плазму) при изменении плотности в течение ЭЦ-нагрева измеряется с помощью квазиоптического направленного ответвителя. Опорный сигнал прямой мощности в ответвителе формируется с помощью делительной пластинки с низким коэффициентом отражения (см. рис. 2). При низкой плотности плазмы (<1013 см-3) рефракция практически отсутствует, и ось СВЧ-пучка совпадает с центральной хордой (горизонтальная хорда, проходящая через центр магнитную ось) сечения плазменного шнура. Обозначим размер этой хорды как 10 (10 = 23 см), а расстояние от граничной магнитной поверхности до области гирорезонан-са как х0. Будем определять удаление области ги-рорезонанса от границы плазмы в долях /0. Тогда для данной конфигурации эксперимента ("холодный" резонанс при Яге8 = 100 см, граница плазмы при Яа = 109.7 см) и при слабом эффекте рефракции, т.е. при низкой плотности плазмы ((Д.) < 1013 см-3), для положения резонанса на оси вакуумной камеры имеем х0//0 = 0.42. При наличии рефракции значение х0 может быть вычислено из измеренного изменения фазы отраженного сигнала при изменении плотности плазмы:
ХД, = КАфх/Аф1, (1)
Z, см
10 - .
5 ^
0 -
-5
-10 -
пе, 1013 см-3; Те, кэВ
90 95 100 105 110 Я, см
У, см
45 -
40 -
35 -
30
25
80 85 90 95 100 105 X, см
Рис. 1. Модификация распространения и поглощения необыкновенной волны в плазме при изменении профиля плотности: (а) Полоидальные проекции лучевых траекторий для четырех профилей плотности; утолщенные участки соответствуют эффективному поглощению (уменьшению мощности волны с 95% до 5% для профилей 1—3 и до 70% для профиля 4). Также показаны магнитные поверхности в базовом поперечном сечении (серые контуры) и изолинии модуля внешнего магнитного поля (пунктирные линии); (б) То же, вид сверху. Серыми линиями показаны минимальный и максимальный габаритные радиусы плазменного шнура (толстые сплошные линии) и его ось (штриховая линия); (в) Радиальные профили плотности (сплошные кривые) и температуры (штриховая линия) электронов, использованные в расчетах.
где Дфх — изменение фазы отраженного пучка, Дфх — изменение фазы диагностического пучка микроволнового интерферометра (= 141 ГГц), измеряющего среднюю плотность плазмы (^е) по центральной хорде ортогональной экваториальной плоскости тора, К — численный коэффици-
ент, зависящий от плотности плазмы (см. Приложение).
Зависимость коэффициента К при отношении Дфх/Дф! в выражении (1) от средней плотности
плазмы (V = юре /ю0) представлена на рис. 3. Как
8
1 10 Т1
3
Рис. 2. Схема эксперимента по обратному рассеянию изл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.