ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 5, с. 398-405
= ТОКАМАКИ
УДК 533.9.082.74
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ И ПЕРЕНОС ЧАСТИЦ ПРИ ^Я-ПЕРЕХОДЕ НА ТОКАМАКЕ ФТ-2
© 2004 г. С. В. Шаталин, Е. О. Векшина, П. Р. Гончаров, Л. А. Есипов*, С. И. Лашкул*
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет *Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Поступила в редакцию 22.04.2003 г. Окончательный вариант получен 15.09.2003 г.
Представлены экспериментальные данные о процессах в периферийной зоне токамака ФТ-2, сопровождающих переход в режим улучшенного удержания в результате нижнегибридного нагрева. Измерения выполнялись с помощью подвижных многоэлектродных ленгмюровских зондов. Получены полоидально-радиальные распределения параметров периферийной плазмы и дрейфовых потоков частиц, которые оказались существенно-неоднородными по полоидальному углу. Приводятся данные, отражающие эволюцию этих параметров в процессе нагрева и ¿-Я-перехода. Установлено, что в условиях эксперимента дрейф частиц в медленно меняющемся (квазистационарном) электрическом поле и потоки, связанные с флуктуациями, дают сравнимый вклад в радиальный перенос частиц, в то время как вклад флуктуаций в полоидальные течения плазмы пренебрежимо мал. Определен эффективный коэффициент радиальной диффузии. Результаты измерений показывают, что ¿-Я-переход сопровождается значительным уменьшением величины этого коэффициента.
ВВЕДЕНИЕ
Периферийная плазма в установках с магнитным удержанием характеризуется сложными физическими явлениями, которые тесно связаны с параметрами удержания в основном объеме и могут играть даже определяющую роль в некоторых режимах. Внешняя пространственная область (scrape-off layer, SOL) за пределами последней замкнутой магнитной поверхности (LCFS) представляет известные трудности для диагностики и интерпретации экспериментальных данных. В отличие от основного объема удержания, где параметры плазмы можно полагать зависящими только от радиуса магнитной поверхности (как это обычно и делается при моделировании и диагностике), плазма SOL двумерна в полоидаль-ном сечении. Полное "картографирование" этой области требует больших усилий и оказывается, как правило, невозможным на крупномасштабных установках. В то же время недостаточное понимание периферийных процессов является серьезным препятствием на пути к управляемому термоядерному синтезу [1]. Плазма токамаков небольших размеров, являющаяся более гибким и сравнительно легко диагностируемым объектом исследований, может служить полезным источником необходимых экспериментальных данных.
В статье представлены основные результаты длительной серии экспериментальных исследований периферийного переноса частиц и его эволю-
ции в результате перехода в режим улучшенного удержания (¿-Я-перехода). Данные получены с помощью зондовых измерений на токамаке ФТ-2 (большой радиус Я = 55 см, радиус полоидальной диафрагмы а = 7.9 см). ¿-Я-переход был обнаружен в экспериментах по дополнительному нижнегибридному нагреву (ЬНН) при эффективном поглощении энергии электромагнитной волны (/ = 920 МГц, Р < 120 кВт) в резонансной приосе-вой области объема удержания. Дополнительный нагрев (длительность импульса нижнегибридного нагрева А?ЬНН = 5 мс) осуществлялся во время стационарной фазы разряда при следующих значениях основных параметров: тороидальное магнитное поле £1ог = 22 кГс, ток по плазме /р1 = 22 кА, длительность стационарной фазы А?р1 = 40 мс. В процессе нагрева наблюдалось существенное изменение профилей плотности заряженных частиц (п), электронной и ионной температуры (Те, Т1), увеличение энергосодержания плазмы, падение интенсивности излучения нейтрального водорода (Нр). Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод о формировании внешнего транспортного барьера к моменту окончания импульса ЬНН. Возросшие в 2-3 раза значения Те, п и энергетического времени жизни тр1 сохранялись в постнагревной стадии разряда, что при падении излучения в линии Нр свидетельствовало об ¿-Я-переходе [2-4].
В качестве иллюстрации характерных изменений параметров разряда при ЬНН на рис. 1 показаны временные зависимости напряжения обхо-
да, средней плотности заряженных частиц, интенсивности излучения спектральной линии Нр и энергосодержания плазмы. Вертикальные пунктирные линии соответствуют началу и окончанию радиочастотного (RF) импульса LHH. Показано также смещение магнитной поверхности радиуса 13 см, где располагались магнитные датчики, вдоль большого радиуса R тора. Следует заметить, что изменение равновесия (ДЯ, рис. 1а) определяется как изменением энергосодержания плазменного шнура W, так и управляющими полями, удерживающими шнур в центре камеры. Изменение ^ отражает общий характер изменения W, связанный с его быстрым ростом при дополнительном нагреве, а также последующим воздействием управляющих полей.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Процессы в SOL, сопровождающие L-H-пере-ход, исследовались с помощью трех подвижных многоэлектродных зондов, расположенных в одном поперечном сечении камеры и позволяющих получать данные в периферийной области, практически полностью охватывающей полоидаль-ный обход тора (рис. 2). Диагностика давала возможность находить временную эволюцию локальных значений плотности и температуры электронов, потенциала плазмы, а также двумерную (в полоидальном сечении) плотность потока частиц, связанного с дрейфом в скрещенных полях: полоидальном электрическом (Е) и тороидальном магнитном (В) [5-7]. Этот поток может быть представлен в виде суммы квазистационарной и флуктуационной составляющих. Плотность квазистационарного потока дается выражением
Го(*) = cn0(t )[Eo(t) х B]/B2. (1)
Флуктуационный поток обусловлен корреляцией колебаний плотности частиц n~ и электрического поля E~:
r~(t) = c[<n~(t)E~(t)> х B]/B2. (2)
Здесь угловые скобки указывают на усреднение по времени. Для определения плотности квазистационарного потока (1) использовались медленно меняющиеся (сглаженные) составляющие зондовых сигналов, обработка которых позволяла получить зависимость от времени локальных значений Te, n, E0 [5]. Флуктуационная составляющая (2) могла быть найдена с помощью как аналоговой, так и цифровой обработки сигналов. В первом случае выполнялось аналоговое перемножение флуктуационных составляющих (в частотной полосе до 500 кГц) сигналов ионного тока насыщения на зонд и разности потенциалов двух плавающих электродов с последующим усреднением. Плавающие электроды были расположены симметрично с двух сторон от точки измерения
мс
Рис. 1. а) - Характерные параметры разряда. ^ -смещение центра магнитной поверхности радиусом r = 13 см (где располагались магнитные датчики). Upi - напряжение на обходе плазменного шнура, ne -средняя плотность заряженных частиц, Нр - интенсивность излучения спектральной линии, PRF - импульс ВЧ-мощности; б) - пример изменения диамагнитного сигнала (энергосодержания плазмы) в ходе дополнительного нагрева [4]. Начало ВЧ-импульса смещено на 29 мс.
ионного тока. Такая обработка позволяла получить две ортогональные проекции потока (2) с точностью до флуктуаций Te, которые полагались малыми. При цифровой обработке исходные сигналы записывались с тактовой частотой 1 МГц.
Зондовые измерения выполнялись с шагом 20...300 по полоидальному углу и шагом 1 мм по малому радиусу, что позволило установить динамику полоидально-радиальных распределений параметров плазмы и потоков частиц в SOL. При
(a)
(б)
Рис. 2. а) - Схема расположения в поперечном сечении камеры трех подвижных пятиэлектродных зондов; б) - конструкция измерительной головки зонда. Центральный и два крайних электрода предназначены для измерения плавающих потенциалов. Электроды "п", включаемые по схеме одиночного или двойного зонда, использовались для измерения плотности и температуры плазмы.
построении этих распределений полоидальный угол 0 отсчитывался от внешнего экватора в направлении диамагнитного дрейфа электронов (в верхнюю часть полоидального сечения, рис. 2). Конструктивные особенности установки не позволяли выполнять зондовые измерения вблизи внутреннего экватора - в диапазоне 0 = 160.. .190°. Как уже отмечалось, фаза нагрева сопровождалась смещением плазменного шнура вдоль большого радиуса тора в сторону его увеличения (рис. 1). Такое смещение оказалось неизбежным как с точки зрения возможности удержания плазмы с повышенным энергосодержанием, так и с точки зрения оптимизации условий взаимодействия с нижнегибридной волной и последующего Ь-Я-пе-рехода. При этом положение ЬСЁБ определялось точкой касания внутренней поверхности полои-дальной диафрагмы в преднагревной стадии (ОН) и внешней поверхности - в постнагревной стадии (Я-шоёе). Таким образом, недоступной для зондо-вых измерений оказывалась вся область внутри движущейся ЬСРБ. В поперечном сечении эта область представляет собой суперпозицию всех мгновенных положений круга радиусом г < а, при его движении от внутренней до наружной поверхности диафрагмы. При выполнении измерений подвижный зонд передвигался по малому радиусу (от выстрела к выстрелу) по направлению к центру шнура до появления признаков влияния на режим разряда (повышение регистрируемой интерферометром плотности частиц, изменение равновесия, частичные срывы). Наличие этих
признаков трактовалось как свидетельство достижения границы области движения LCFS (или, возможно, близкой к LCFS магнитной поверхности). Положение таких "граничных точек" (минимальных значений малого радиуса, при которых выполнены измерения) достаточно хорошо соответствовало горизонтальному движению круга радиусом 70...71 мм с центром, расположенным несколько ниже (~4 мм) геометрического центра полоидального сечения. Подобная "диагностика" положения LCFS, безусловно, достаточно груба, однако гипотеза о движении шнура радиусом ~70 мм не противоречила данным интерферомет-рических и магнитных измерений. Следует заметить, что такая динамика существенно усложняет интерпретацию экспериментальных данных.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Полоидально-радиальные распределения параметров плазмы в SOL оказались существенно неоднородными по полоидальному у
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.