ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 9, с. 803-814
= ТОКАМАКИ
УДК 533.9.082
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕНЕРАЦИИ НИЖНЕГИБРИДНЫМИ ВОЛНАМИ ТОКОВ УВЛЕЧЕНИЯ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА ТОКАМАКЕ ФТ-2
© 2010 г. С. И. Лашкул, А. Б. Алтухов, А. Д. Гурченко, В. В. Дьяченко, Л. А. Есипов, М. Ю. Кантор, Д. В. Куприенко, М. А. Ирзак, А. Н. Савельев, А. В. Сидоров, А. Ю. Степанов, С. В. Шаталин*
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, С.-Петербург, Россия * Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия Поступила в редакцию 29.01.2010 г.
На токамаке ФТ-2 проведена серия экспериментов по исследованию эффективности генерации нижнегибридных токов увлечения. В результате экспериментов в широком диапазоне плотностей плазмы была установлена зависимость эффективности генерации нижнегибридных токов увлечения от значения фазировки грилла Дф и мощности ВЧ-генератора. Показано, что при больших плазменных токах, то есть при более высоком значении электронной температуры, прекращение токов увлечения определяется не процессом параметрического распада (который наблюдается в режимах с меньшими токами и, соответственно, меньшими электронными температурами Те), а достижением нижнегибридной резонансной плотности пш для волны накачки. Для анализа экспериментально наблюдаемого эффекта генерации НГ-токов увлечения и его зависимости от величины и знака фазировки антенны был проведен модельный расчет спектров возбуждаемых НГ-волн Р(^). Последующее моделирование с помощью современного кода БЯТС, с учетом спектра Р(^) и всех экспериментально полученных параметров плазмы, позволило рассчитать величину и направление НГ-токов увлечения, которые определяются спектром возбуждаемых НГ-волн. Отмечается определяющая роль синэнергетического эффекта для перекрытия спектрального зазора, связанного с взаимодействием между различными частями спектра вводимой ВЧ-волны.
1. ВВЕДЕНИЕ
Использование нижнегибридных волн (НГВ) является одним из эффективных способов генерации токов увлечения (создания неиндукционного тока) в плазме токамака. В этом случае благодаря затуханию Ландау дополнительная энергия вкладывается непосредственно в продольную составляющую скорости быстрых электронов, при снижении влияния запертых частиц [1]. Тем не менее обнаружившиеся сложности при вводе НГВ в плазму не позволяли планировать использование этого ВЧ-диапазона для термоядерного реактора ITER. Только в последнее время нижнегибридный диапазон стал рассматриваться в качестве перспективного для поддержания квазистационарного тока в термоядерном реакторе, чему в значительной степени способствовали экспериментальные результаты, полученные на крупных токамаках JET, JT-60U, FTU и Tore Supra [2, 3]. Так, например, возможность генерации токов увлечения (Current Drive, CD) с эффективностью nLH, близкой к требующейся для ITER (nLH ~ ~ 0.3 х 1020 A ■ Вт-1м-2 ), была продемонстрирована на токамаках JET и JT-60U. Проблема связи грилла с плазмой была решена с помощью дополнительного напуска газа в районе грилла. На то-
камаках Alcator C и FTU с помощью НГ-волн была реализована генерация безындукционных токов увлечения при больших плотностях (ne > > 1020 м-3), соответствующих планируемым для ITER [4]. Возможность работать с длинными импульсами безындукционного тока, что необходимо для поддержания квазистационарного разряда токамака-реактора ITER, была продемонстрирована на токамаке Tore Supra (t ~ 2 мин) [5].
Дополнительная привлекательность НГ-диа-пазона связывается с поиском и реализацией так называемых продвинутых режимов (advanced regimes (AR)) для ITER. В качестве AR рассматривается гибридный сценарий, когда на начальной стадии разряда создается немонотонный профиль q. На токамаках JET, JT-60U, TS и FTU удавалось достаточно легко модифицировать профиль тока на стадии подъема, делая его более плоским за счет генерации токов увлечения во внешних частях плазменного шнура. Моделирование транспортных процессов показало, что при формировании немонотонного профиля q, помимо замедления диффузии тока из-за дополнительного нагрева электронов, определяющим становится вклад НГ-тока увлечения. Создание отрицательного магнитного шира способствова-
ло формированию внутреннего транспортного барьера (ITB) уже при небольших мощностях дополнительного нагрева [3].
Несмотря на обозначившийся прогресс в физическом и техническом плане, существует ряд нерешенных проблем, обусловленных особенностью ввода НГ-волн на разных стадиях разряда, поскольку антенна находится на достаточно большом расстоянии от последней замкнутой магнитной поверхности (Last Closed Flux Surface, LCFS) в окружении плазмы с относительно низкой плотностью. Низкая плотность плазмы вблизи антенны существенно осложняет достижение волной накачки центральных областей разряда [6]. Это особенно проблематично в режиме Н-мо-ды, когда параметры пристеночной плазмы могут дополнительно возмущаться вспышечными структурами (ELM-активность). Как известно, эффективность поглощения в значительной степени определяется спектром замедленных НГ-волн, вводимых в плазму с помощью антенны-грилла. Используемые антенны типа "multi-junction" [3] формируют достаточно узкий спектр с продольным замедлением масштаба N|| ~ 2. В этом случае возникает проблема перекрытия спектрального зазора между замедленной волной накачки, сформированной гриллом, и диапазоном еще более медленных волн N|| ~ c/4vTe > 2, способных поглощаться тепловыми электронами плазмы [1]. Проблема заполнения спектрального зазора (spectral gap) [1, 7] наиболее актуальна для небольших токамаков с относительно низкими значениями Te. В качестве механизма, приводящего к дополнительному замедлению волны накачки в плазме, рассматривается, в частности, уширение спектра за счет процессов параметрического распада и рассеяния на флуктуациях плотности плазмы на периферии разряда. Существенный вклад в понимание особенностей распространения НГ-волн в плазме токамака и механизма их поглощения был сделан в экспериментальных работах, выполненных на относительно небольших токамаках.
В ФТИ им А.Ф. Иоффе на токамаке ФТ-2 в течение достаточно долгого времени ведутся работы по исследованию взаимодействия нижнегибридных волн с плазмой. Были обнаружены особенности ввода ВЧ-мощности в условиях, когда существует возможность параметрического распада вводимой волны. Определены оптимальные режимы для эффективного нагрева ионов плазмы [8, 9] и особенности генерации и отключения НГ-токов увлечения [10]. С помощью времяпро-летной диагностики усиленного рассеяния было проведено исследование механизма заполнения спектрального зазора (spectral gap bridging), подтвердившее существование замедленных волн внутри плазменного шнура [11, 12]. Базируясь на
накопленном опыте и учитывая возросший интерес к НГ-диапазону как подходящему для безындукционного поддержания тока, в последних экспериментальных сериях на токамаке ФТ-2 особое внимание уделялось исследованию механизмов, влияющих на эффективность генерации НГ-то-ков увлечения.
В предлагаемой статье детально анализируются условия ввода ВЧ-мощности НГ-диапазона частот с помощью используемой на ФТ-2 двухвол-новодной антенны (грилла). В разд. 2 дается описание установки и антенной системы. Далее приводятся результаты расчета спектра вводимой ВЧ-волны накачки при различных фазировках двухволноводной антенны. Эти данные, с учетом параметров плазмы, используются при моделировании профиля генерируемых НГ-токов увлечения. В разд. 4 приводятся экспериментальные данные и оценка эффективности генерации НГ-токов увлечения, а также анализируются условия их отключения. Заключительный раздел содержит выводы из проделанной работы.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Токамак ФТ-2 представляет собой тороидальную установку с большим радиусом Я = 0.55 м. Размер малого сечения плазменного шнура определяется полоидальным лимитером радиусом aL = 0.08 м. Эксперименты проводились при плазменных токах 1р1 = 19—40 кА и тороидальном магнитном поле Вт = 2.2 Тл (запас устойчивости на диафрагме q = 4—6). На стационарной стадии разряда со стороны слабого тороидального магнитного поля вводилась ВЧ-волна накачки на частоте / = 920 МГц с помощью двухволноводного грилла. Длительность разряда Ар = 50 мс, длительность ВЧ-импульса А1Кр могла меняться от 5 до 10 мс. Максимальный уровень вводимой ВЧ-мощности достигал Ркр = 200 кВт, что в несколько раз превышало мощность омического нагрева (ОН), Рон ~ 90 кВт. На рис. 1 приведены данные, иллюстрирующие эффект генерации НГ-токов увлечения. Эти результаты получены при длительности ВЧ-импульса 6 мс, исходном плазменном токе 1р1 = 27 кА, мощности ВЧ-гене-ратора Ркр ~ 100 кВт и двух различных значениях плотности: (пе) = 1.0 х 1019 м-3 (сплошная кривая) и (пе) = 2.0 х 1019 м-3 (пунктирная кривая). Схема формирования разрядного импульса установки ФТ-2 (искусственная длинная линия) обеспечивает стабилизацию плазменного тока [13]. При этом генерация тока увлечения проявляется в виде уменьшения ("подсадки") напряжения обхода Аир1— величины, пропорциональной значению генерируемого тока 1КР. В приведенном примере используется асимметричная фазировка двухвол-новодного грилла, Аф = я/2. Влияние фазовых
-! 2
О
1 0 4
В
¡^ 2
/pl = 27 кА
-^mjl" штшш^л^ *
- А»---»
-
- RF
1 li 1 1 ll 1
30 32 34 36 38 40
мс
Рис. 1. Данные, иллюстрирующие эффект генерации НГ-токов увлечения при двух различных значениях плотности: (пе) = 1.0 х 1019 м-3 (сплошная кривая) и (пе) = 2.0 х 1019 м-3 (пунктирная кривая). Разряд № 031809. Плазменный ток 1р1 = 27 кА, мощность ВЧ-генератора Р^ ~ 100 кВт.
смещений между волноводами на эффективность генерации токов увлечения рассматривается в следующих разделах, где анализируются результаты моделирования и эксперимента.
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРА
НГ-ВОЛН И ПРОФИЛЕЙ ТОКА УВЛЕЧЕНИЯ
Для моделирования пространственного спектра НГ-волн, возбуждаемых в плазме с помощью двухволноводной антенны, использовалась про-
грамма GRILL3D [14]. Программа осуществляет вычисление поверхностного импеданса одномерно неоднородной плазмы (в плоской геометрии) путем числен
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.