ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 3, с. 219-228
= ТОКАМАКИ
УДК 533.9
БЕЗЫНДУКЦИОННОЕ СОЗДАНИЕ ПЛАЗМЫ И ГЕНЕРАЦИЯ ТОКА В СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М
© 2013 г. В. В. Дьяченко, В. К. Гусев, М. М. Ларионов, А. Д. Мельник, А. Н. Новохацкий, Ю. В. Петров, В. В. Рождественский, Н. В. Сахаров, А. Ю. Степанов, С. А. Хитров, Н. А. Хромов, Ф. В. Чернышев, А. Е. Шевелев, О. Н. Щербинин, С. Е. Бендер*, А. А. Кавин*, К. М. Лобанов*
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия *Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова,
Санкт-Петербург, Россия е-таП:у^уаскепко@таПло^е.ги Поступила в редакцию 11.05.2012 г. Окончательный вариант получен 02.07.2012 г.
Представлены результаты экспериментов по подъему и поддержанию тороидального тока в сферическом токамаке Глобус-М с помощью волн нижнегибридного диапазона частот без приложения индукционного вихревого электрического поля. Для этой цели использовались оригинальные антенны типа "гребенка", создающие распределение полей подобное многоволноводным гриллам. Высокочастотная мощность (900 МГц) использовалась как для создания плазмы, так и для генерации тока. Величина полученного тока достигала 21 кА, его направление зависело от направления вертикального магнитного поля. По совокупности экспериментальных данных можно предположить, что основная доля тока переносится пучком надтепловых электронов.
БО1: 10.7868/80367292113030013
1. ВВЕДЕНИЕ
Формирование плазмы с последующим созданием и подъемом тока без участия индукционного вихревого электрического поля всегда представляло важную задачу для термоядерных установок типа токамак. Использование этого процесса для токамаков традиционного типа позволяет экономить вольт-секундную емкость трансформатора, а в будущем отказаться от него совсем и перейти к установкам стационарного типа. Для сферических токамаков (с малым аспект-ным отношением) отсутствие соленоида-индуктора существенно упростило и удешевило бы конструкцию и способствовало реализации идеи компактного термоядерного реактора. В качестве генератора плазмы и тока обычно рассматриваются, прежде всего, высокочастотные методы в разных диапазонах частот и инжекция пучка высокоэнергичных нейтральных атомов. Среди высокочастотных методов чаще всего исследовался способ создания плазмы и тока в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), иногда в комбинациях с другими частотами для получения тока [1—3], в том числе и в нижнегибридном (НГ) диапазоне частот. Так, на токамаке Т-7 после ЭЦР-предыонизации, при введении около 200 кВт НГ-мощности удалось создать ток порядка 20 кА [4]. НГ-диапазон частот использовался в ряде экспериментов на токамаках традиционного
типа для предыонизации разряда [5, 6]. Описываемый эксперимент представляет первую попытку использования НГ-волн как для формирования плазмы, так и для подъема тороидального тока в сферическом токамаке.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Эксперимент по высокочастотному созданию плазмы и подъему тока был проведен на сферическом токамаке 1лобус-М (большой радиус Я0 = 36 см, малый радиус а = 24 см, аспектное отношение А = 1.5, тороидальное магнитное поле в начальный момент времени Б( (0) = 0.4 Тл) [7]. Использовался высокочастотный (ВЧ) генератор магнетронного типа с рабочей частотой 900 МГц, выходной мощностью до 100 кВт при длительности импульса до 100 мс. Ввод ВЧ-мощности осуществлялся посредством специально разработанных антенн типа "гребенка", имитирующих работу многовол-новодных гриллов (рис. 1) [8, 9]. Обе антенны устанавливаются в патрубки установки перпендикулярно экваториальной плоскости со стороны слабого магнитного поля. Одна из них представляет собой набор горизонтальных пластин равного размера, соединенных поочередно с то-коведущей или с заземленной шинами. Для лучшего обзора антенна (далее ПЗА, полоидально замедляющая антенна) показана без защитного
Рис. 1. Фотографии антенн: полоидально замедляющая (ПЗА), защитный экран снят (а); тороидально замедляющая (ТЗА) (б).
экрана, боковые стенки которого, обращенные к плазме, были закрыты нитридом бора. Таким образом, в соседних зазорах между пластинами ВЧ электрическое поле имеет противоположное направление (в противофазе) и направлено в поло-идальном направлении токамака. Такая система должна генерировать в плазме, в основном, поло-идально замедленные волны. Величина преимущественного замедления определяется расстоянием между пластинами. Другая антенна (ТЗА, тороидально замедляющая антенна) состояла из вертикальных пластин. Электрические ВЧ-поля между ними находятся также в противофазе но параллельны тороидальному магнитному полю. Используемые антенны, в отличие от традиционных многоволноводных систем, сложны для электродинамического моделирования ВЧ-полей и возбуждаемых в плазме волн, зато достаточно просты в изготовлении. Исходя из геометрических размеров элементов ПЗА и рабочей длины волны (~33 см), можно ожидать на ее поверхности основные пики спектра продольных замедлений в области ~ 1.0-15, в области поперечных замедлений Nро1 ~ 7 - 8. Здесь М,ог и Мро1 — составляющие показателя преломления вдоль и поперек тороидальной оси установки. Для ТЗА преимущественная ВЧ-мощность должна быть сосредоточена в области спектра с Ntor ~ 6 - 8 и N
ро1
1. Спектры возбуждаемых волн должны быть симметричными в обе стороны от антенны. В них имеются и более замедленные составляющие, которыми обычно пренебрегают из-за их
малости. Можно представить электрические поля на поверхности антенны в виде периодической, но ограниченной реальными размерами структуры (рис. 2), где Т — периодичность системы, а 8 — толщина пластин. Фурье-разложение таких полей по М0ог и МрЫ подтверждает как наличие указанных выше основных составляющих, так и существование сильно замедленных компонентов (рис. 3).
От ВЧ-генератора мощность подводилась к одному из концов антенны по коаксиальному кабелю, другой конец антенны был нагружен на нагрузку, которая позволяла регистрировать мощность, прошедшую через антенну и не поглотившуюся в плазме. В работе использовался импульсный напуск газа (водород, дейтерий) в различных комбинациях по длительности и интенсивности, с его помощью создавалось начальное давление порядка 10-5 Торр. Штатное тороидальное магнитное поле (Д (0) = 0.4 Тл на оси камеры) и небольшое вертикальное поле ^ ~ 2.0 - 2.5 мТл включались до начала ВЧ-им-пульса. Величина вертикального поля на стадии пробоя подбиралась так, чтобы получить максимальную скорость нарастания тока на начальном участке. Эволюция различных параметров разряда в течение ВЧ-импульса при работе с ПЗА: подводимая ВЧ-мощность, генерируемый ток, непоглощенная в плазме ВЧ-мощность, усредненная по хорде плотность, значение вертикального магнитного поля, свечение линии Da, интегральный поток жесткого рентгеновского излучения
(а)
-т
Т + 5 2
Т + 5 2 Т
5 2
- -А
Т + 5 2
У
(б)
-А
5 Т—5 2 2
т z
2
Рис. 2. Структура электрического поля, принятая к моделированию ПЗА: в продольном направлении (а), в направлении, перпендикулярном оси камеры (б).
(НХЯ), сигнал радиометра для частоты 17 ГГц приведены на рис. 4. Здесь и далее отсчет времени приводится по внутреннему таймеру установки. Практически всегда ВЧ-импульс прикладывался на 112 мс таймера. Обе антенны продемонстрировали примерно одинаковую эффективность при образовании плазмы и создании тока, поэтому большая часть приводимого материала будет связана с ПЗА.
Анализ поведения параметров разряда позволяет выделить три стадии в его развитии. Вначале, при включении ВЧ-импульса на 112 мс, за время 3—4 мс (начальный пик на свечении линии Da) происходит ионизация газа вблизи антенны и образующаяся плазма заполняет весь объем тороидальной камеры, растекаясь вдоль магнитного поля. Это хорошо фиксируется с помощью скоростной видеокамеры (рис. 5а, 120 мс). Затем, через 3—5 мс после формирования плазмы, появляется тороидальный ток, нарастающий со скоростью 450—500 кА/с до величины 4—5 кА, что сопоставимо с традиционными экспериментами по генерации тока в токамаках с помощью НГ-волн. Направление возбуждаемого тока зависит от направления вертикального магнитного поля.
На следующей стадии разряда для увеличения тока по плазме требуется увеличивать вертикальное поле. При этом скорость нарастания тока оказывается примерно пропорциональной величине вертикального поля, но слишком быстрое наращивание магнитного поля приводит к срыву разряда. После достижения некоторого значения (12—15 кА) скорость нарастания тока уменьшается, вплоть до насыщения, когда плазменный ток
Р, отн. ед. 0.025
0.0004 -
0.0002 -
-60 -40 -20
20
40 N
Юг
Рис. 3. Вид фурье-разложения электрических полей на раскрыве ПЗА: для продольных составляющих (а), для поперечных составляющих спектра (б).
перестает зависеть от величины вертикального поля. Генерируемый ток имеет примерно одинаковую величину при равных, но противоположно направленных значениях В^ что подтверждает ожидаемую симметрию в возбуждении волн по и против В. Имеется и четвертая фаза: длительный (более 10 мс) распад полученной токовой плазмы после окончания ВЧ-импульса при сохранении внешних магнитных полей. В лучших разрядах генерируемый ток оказывался ограниченным величиной 15-17 кА, при этом концентрация плазмы
составляла величину порядка (1 -2) х 1018 м-3, а температура электронов не превышала 15-20 эВ по данным интерферометра и диагностики том-соновского рассеяния. Попытки увеличить концентрацию плазмы с помощью газонапуска приводили к затуханию плазменного тока. Также негативно на явление подъема тока влияло загрязнение плазмы примесями, о котором свидетельствовало увеличение интенсивности свечения спектральных линий СШ и ОШ. Следует отметить, что наиболее устойчиво эффект подъема тока наблюдался после чистки и боронизации поверхности металлической камеры. Генерация тока возникала уже при введении минимально возможной ВЧ-мощности в 20 кВт и с ее увеличением ток постепенно возрастал, однако при превышении значения 40-50 кВт дальнейший
у
А
0
ток плазмы, кА; № 29018 20
15
10
5
0
лин. интегр. плотнос
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.