Письма в ЖЭТФ, том 102, вып. 4, с. 245-249
© 2015 г. 25 августа
Влияние турбулентности в переходном процессе электронно-циклотронного нагрева на стеллараторе Л-2М
Г. М. Батанов+1'>, В. Д. Борзосеков+, Д. Г. Васильков+*, Е. М. Кончеков+х, Д. В. Малахов+х°, К. А. Сарксян+, Н. К. Харчев+, Ю.В. Хольнов+
+Институт общей физики им. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия
* Московский государственный технический университет им. Баумана, 105005 Москва, Россия
у Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Пирогова, 117997 Москва, Россия
° Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Москва, Россия
Поступила в редакцию 21 апреля 2015 г. После переработки 9 июля 2015 г.
Методами обратного и малоуглового рассеяния излучения гиротрона на флуктуадиях плотности плазмы измерены флуктуации плотности в переходном процессе при электронно-циклотронном (ЭЦ) нагреве. С помощью оценок показаны рост и падение турбулентных потоков тепла при включении/отключении дополнительного ЭЦ-нагрева. Обсуждается вопрос о возможности возбуждения вихрей дрейфовых волн и их взаимосвязи с быстрыми аномальными переносами тепла при ЭЦ-нагреве.
БО!: 10.7868/80370274X15160055
В тороидальных магнитных ловушках, токама-ках и стеллараторах при ЭЦ-нагреве плазмы в переходном процессе при включении и отключении нагрева наблюдаются явления аномально быстрого переноса тепла и частиц: эффект быстрого выноса частиц (density pump-out [1,2]) и дисбаланса мощности (missing power [3,4]). Существуют различные модели такого аномального переноса (см., например, [5]). Однако до сих пор остается открытым вопрос об изменении турбулентности (например, флуктуаций плотности) в таком переходном процессе и ее роли в аномальном переносе тепла и частиц. Проблема взаимосвязи быстрых аномальных потерь при ЭЦ-нагреве с вихрями дрейфовых волн ранее обсуждалась нами в работе [6] в связи с наблюдением быстрых потерь на стеллараторе Л-2 [7].
В настоящей заметке сообщается об эволюции коротковолновых (к± « 30 см-1) и длинноволновых (к± « 1см-1) флуктуаций плотности при включении/отключении ЭЦ-нагрева на стеллараторе Л-2М.
Двухзаходный стелларатор Л-2М имеет большой средний радиус тора До = 100 см, радиус вакуумной камеры 17.5 см, средний радиус граничной магнитной поверхности ао = 11.5 см, угол вращательного преобразования /х(0) = 0.17 на магнитной оси и yU-(ao) = 0.8 на крайней магнитной поверхности. Электронно-циклотронный (ЭЦ)-нагрев плазмы осу-
e-mail: batanov@fpl.gpi.ru
ществляется двумя гиротронами с частотой ~ 75 ГГц на второй гармонике гирочастоты электронов. Ввод микроволновых пучков производился через внешние горизонтальные патрубки в двух соседних сечениях тороидальной камеры. Дополнительный нагрев может быть реализован двумя способами. При равной длительности импульсов 8 мс запуск импульса второго гиротрона с задержкой в 4 мс относительно первого создает режим удвоения нагрева в течение перекрытия импульсов гиротронов (4 мс). Этот способ включения использовался при центральном нагреве. При нецентральном нагреве была использована другая последовательность включения гиротронов. Во время импульса нагрева второго гиротрона длительностью 12 мс на 4 мс включается первый гиротрон. При этом задержка запуска первого гиротрона относительно запуска второго составляет 4 мс.
Коротковолновые флуктуации плотности (к± « « 30 см-1) измерялись с помощью обратного рассеяния излучения второго гиротрона. Регистрация рассеянного излучения производилась с использованием гомодинного детектирования. В качестве опорного сигнала служила часть мощности гиротрона [8,9]. Длинноволновые флуктуации изучались методом малоуглового рассеяния излучения того же гиротрона [10].
В случае обратного рассеяния область рассеяния составляет всю длину микроволнового пучка от граничной поверхности плазмы до области ЭЦР. В слу-
чае малоуглового рассеяния область рассеяния охватывает всю центральную хорду сечения плазменного шнура.
Измерения эволюции турбулентности были выполнены при двух режимах ЭЦ-нагрева, отличающихся друг от друга мощностью нагрева, временной эволюцией плотности плазмы в течение разряда и положением области гирорезонанса в поперечном сечении плазменного шнура (центральный и нецентральный нагрев).
В диагностиках коллективного рассеяния обычно определяется средний квадрат флуктуаций плотности (п2^). Вместе с тем турбулентные потоки тепла и частиц зависят также от температуры частиц. Поскольку мы имеем в виду турбулентность дрейфовых волн, естественно использовать выражение для плотности потока тепла, которое может быть записано как с[е = ск\Т2(п^)((п)еВ{))~1 • где с -скорость света, е - заряд электрона, Во - магнитная индукция, Те - температура электронов, (п) -средняя плотность плазмы, - функция фазового сдвига между флуктуациями плотности и потенциала. В этом выражении учтено, что скорость колебаний плазмы в волне зависит от Те: = сЕ^/Во = = ск±Те((пг.,)/(п))(Вое)-1. Поскольку нас интересует зависимость потока тепла от мощности ЭЦ-нагрева, далее будет представлен временной ход как (п1), так и Т2(п1)/(п).
Результаты измерений для центрального ЭЦ-нагрева (Во = 1-34 Тл на оси вакуумной камеры) приведены на рис. 1. Величина (п2^) измерялась по обратному рассеянию необыкновенной волны с помощью квазиоптического ответвителя. Средняя плотность плазмы измерялась по центральной хорде сечения плазменного шнура с помощью двухмиллиметрового интерферометра, а температура электронов - по тепловому излучению плазмы в ее центре на второй гармонике гирочастоты электронов 76 ГГц. Абсолютная калибровка приемников для определения температуры электронов выполнялась по измерениям мягкого рентгеновского излучения методом фольг. Оцифровка сигналов проводилась с частотой 5 МГц. Мощность каждого из гиротронов составляла 130-150кВт. Значение (п2^) определялось как квадрат быстро осциллирующей (> 5 кГц) компоненты отраженного излучения [8,9] и усреднялось по 500 отсчетам (100 мкс). Для расчетов турбулентных потоков тепла плотность плазмы нормировалась на 1013см~3, а температура на 100 эВ.
Как видно из рис. 1а, при включении второго ги-ротрона на 52-й мс (фронт ~ 40 мкс) уже имеется высокий уровень флуктуаций в плазме, созданной и нагретой излучением первого гиротрона. Эволюция
Рис. 1. Эволюция коротковолновых флуктуаций плотности и турбулентного потока тепла. Центральный ЭЦ-нагрев. (а) - Сигнал детектора смешения опорного, отраженного и рассеянного назад излучения. (Ь) -Средняя плотность (I), центральная температура (2), суммарная мощность излучения гиротронов (3). (с) -Квадрат флуктуаций плотности. (с1) - Турбулентный поток тепла. Представленные на всех рисунках кривые (гС,) и q£ усреднены по измерениям пяти разрядов стелларатора Л-2М. В отдельных разрядах модуляция этих величин достигает 100 %
флуктуаций плотности во времени носит вспышеч-ный характер с характерным временем 0.1-0.3 мс. Увеличение уровня флуктуаций плотности в 1.5-2 раза возникает с задержкой в 2-2.5 мс после включения второго гиротрона на 52-й мс. Далее этот уровень сохраняется и после отключения первого гиротрона на 56-й мс. После включения мощности второго гиротрона (рис. 1Ь) происходит рост температуры электронов до 54-й мс почти в 2.5 раза. Последующее ее падение после 54-й мс вызвано ростом плотности, а падение температуры от 56-й до 60-й мс происходит из-за выключения мощности первого гиротрона. Величина турбулентного потока тепла (рис. 1с1), по сути, меняется синхронно с изменением температуры электронов. Таким образом, при центральном ЭЦ-нагреве турбулентный поток тепла при удвоении мощности нагрева возрастает почти в 4 раза. Аналогичный результат для центрального ЭЦ нагрева был получен и при мощности каждого гиротрона ~ 300 кВт.
Результаты измерений при нецентральном ЭЦ-нагреве (Во = 1.29 Тл, область гирорезонанса смеще-
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 Типе (те)
на на ~ 1/4 среднего радиуса плазмы от оси камеры к внутренней стенке тора) представлены на рис. 2. В
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 Time (ms)
Рис.. 2. Эволюция коротковолновых флуктуации плотности и турбулентного потока тепла. Нецентральный ЭЦ-нагрев. (а) - Сигнал детектора смешения опорного, отраженного и рассеянного назад излучения. (Ь) -Средняя плотность (I), центральная температура (2), суммарная мощность излучения гиротронов (3). (с) -Квадрат флуктуации плотности, (d) - Турбулентный поток тепла
данном случае мощность каждого гиротрона составляла 400 кВт. При этом эволюцию флуктуаций плотности можно было проследить в течение всего разряда от создания плазмы до окончания ЭЦ-нагрева на 62-й мс, т.к. первый гиротрон включается только на 4 мс между 54-й и 58-й мс.
Исключим из рассмотрения интервал между 50-й и 51-й мс, на котором происходит пробой газа и в плазме с низкой плотностью протекают процессы ускорения электронов до высоких энергий. Об этом свидетельствует огромный пик излучения ускоренных электронов на частоте 76 ГГц (рис.2Ь). Минимум данного сигнала приходится на 52-ю мс, когда плотность плазмы достигает своего максимума. Минимум сигнала на 76 ГГц соответствует температуре электронов 100-200эВ. Флуктуации плотности в рассматриваемом временном интервале почти максимальны (рис. 2с). Они постепенно спадают почти на порядок к 55-й мс, когда нагрев удвоенной мощностью продолжается уже 1 мс. После 58-й мс (окончания удвоенного нагрева) величина вырастает в среднем в 1.5-2 раза. Вспышечный характер флукту-
аций плотности прослеживается в течение всего времени ЭЦ-нагрева. Таким образом, увеличение уровня флуктуаций плотности при нецентральном ЭЦ-нагреве возникает с задержкой ~ 4 мс после включения излучения первого гиротрона и сохраняется до конца ЭЦ-нагрева на 62-й мс, несмотря на то что уже произошло отключение первого гиротрона.
Рост температуры электронов и в данном случае определяет рост турбулентного потока тепла (рис. 2с). После 52-й мс плотность плазмы падает в течение всех 10 мс разряда. Температура же электронов растет до момента выключения первого гиротрона на 58-й мс. При этом скорость роста
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.