ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 10, с. 916-925
= СТЕЛЛАРАТОРЫ
УДК 533.9
ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ФЛУКТУАЦИЙ ПЕРИФЕРИЙНОЙ ПЛАЗМЫ ТОРСАТРОНА У-3М © 2010 г. В. В. Ольшанский, К. Н. Степанов, М. И. Тарасов, Д. А. Ситников
ННЦ "Харьковский физико-технический институт", Харьков, Украина Поступила в редакцию 19.03.2010 г.
Приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований колебательных и волновых явлений, которые наблюдались в периферийной области стелларатора У-3М при создании и нагреве плазмы с помощью ВЧ-разряда в области ИЦР с переходом в режим улучшенного удержания. Представлены основные результаты диагностических измерений спектрального состава колебаний, фазовых и амплитудных соотношений в зависимости от ВЧ-мощности, от времени в течение ее ввода. В качестве датчиков использовались электростатические зонды, расположенные в периферийной области объема удержания плазмы. Полученные экспериментальные результаты интерпретируются на основе кинетической теории электрон-ионной параметрической неустойчивости плазмы в ионном циклотронном диапазоне частот и сравниваются с результатами численного моделирования.
1. ВВЕДЕНИЕ
Одной из наиболее актуальных проблем в физике термоядерного синтеза является проблема получения плотной высокотемпературной плазмы в тороидальных магнитных ловушках с помощью ВЧ-методов. В основе таких методов лежит бесстолкновительное поглощение энергии электромагнитных волн частицами плазмы, связанное с резонансами различного типа. Исходя из этого, можно выделить несколько частотных диапазонов, в которых возможен эффективный нагрев плазмы. Это диапазоны электронного циклотронного (ЭЦР), нижнегибридного и ионного циклотронного (ИЦР) резонансов. В данной работе рассматриваются эффекты, имеющие место при создании и нагреве плазмы путем введения в объем удержания тороидальной установки стел-лараторного типа "Ураган-3М" (У-3М) высокочастотной мощности на частоте альфвеновской ветви ионного циклотронного резонанса. Такой метод высокочастотного нагрева плазмы в установках с относительно малыми геометрическими размерами имеет ряд преимуществ. В частности, введение ВЧ-мощности в объем удержания на частоте ионного циклотронного резонанса позволяет создавать плазму и осуществлять ее нагрев в широком диапазоне изменения величины удерживающего магнитного поля. Стоит заметить, что, к примеру, нагрев на частоте ЭЦР применяется только при достаточно интенсивных магнитных полях. При этом проведение экспериментов с вариацией напряженности магнитного поля при ЭЦР-нагреве крайне проблематично.
Необходимо отметить также и существование ряда факторов, влияющих на эффективность
ИЦР-нагрева. В частности, неоднородность магнитного поля обусловливает локализацию нагрева, а распределение частиц по скоростям определяет группу ионов плазмы, непосредственно взаимодействующих с волной. Одним из основных факторов, отрицательно влияющих на эффективность как ИЦР-, так и ЭЦР-нагрева, являются радиационные потери на примесях. Кроме того, отдельно стоит выделить и такой эффект, как появление побочных флуктуаций в области гармоник частоты накачки. Как правило, это явление наблюдается при введении в плазму достаточно высокой ВЧ-мощности. Влияние его на эффективность ВЧ-нагрева является во многом положительным. Взаимодействие частиц плазмы с полем волны накачки приводит к появлению осцилля-ций электронов относительно ионов. Раскачка таких колебаний может служить причиной развития мелкомасштабных параметрических неустой-чивостей, на флуктуациях электрического поля которых происходит рассеяние частиц и быстрый их нагрев.
В данной статье приводятся результаты подробного исследования флуктуаций, возбуждающихся в краевой плазме тороидальной установки с магнитным удержанием "Ураган-3М" при создании и нагреве плазмы в ней введением ВЧ-мощности на частоте ионного циклотронного резонанса. Рассматриваются флуктуации в области гармоник частоты ионного циклотронного резонанса. Исследуются их спектральные зависимости и амплитудная динамика.
Рис. 1. Расположение зондов в камере торсатрона "Ураган-3М".
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Исследования проводились на экспериментальной установке "Ураган-3М", представляющей собой торсатрон (тороидальная магнитная ловушка стеллараторного типа) без обмоток продольного магнитного поля [1]. Удерживающая магнитная конфигурация в такой ловушке создается при протекании тока в проводниках трехза-ходной винтовой системы обмоток и в проводниках обмоток корректирующего поля. Такая конфигурация позволяет сформировать объем удержания плазмы из вложенных друг в друга магнитных поверхностей и пространственный дивертор без возмущения топографии магнитного поля в области, предназначенной для удержания плазмы. Вся магнитная система вместе с конструкцией ее механического крепления размещается в вакуумной камере объемом 70 м3.
Параметры У-3М следующие: большой радиус винтовой обмотки R = 1 м, удерживающее магнитное поле B0 < 1 Тл, малый радиус винтовой обмотки r0 = 0.27 м, средний радиус плазмы а < 0.1 м, заходность винтовой обмотки l = 3, число периодов поля m = 9, угол вращательного преобразования на крайней неразрушенной магнитной поверхности i = 0.4, угол вращательного преобразования на оси i0 = 0.18. Давление остаточного газа в камере во время проведения экспериментов поддерживалось на уровне p = (2—5) х 10-7 Тор. Пространственное распределение магнитного поля в установке описывается формулой [2]
B = B0 (l - - cos 0 + 6h cos(/0- тф)|, (1)
где е h = .-j, ю и U — соответственно торои-
h \(i -
дальный и полоидальный углы, r — радиальная координата, R — большой радиус винтовой обмотки.
Плазма в установке создавалась и нагревалась путем введения в объем удержания ВЧ-мощности в диапазоне частот ИЦР (ю < юС(). Ввод мощности осуществлялся с помощью двух однотипных не-экранированных рамочных антенн, расположенных со стороны слабого магнитного поля. Для генерирования высокочастотных импульсов колебаний использовались два однотипных генератора с выходной мощностью до 2 МВт и длительностью до 100 мс в диапазоне частот f = 1— 20 МГц. Средняя плотность плазмы в экспериментах достигала значений ne ~ 1012 см-3. При достаточно высоком уровне вводимой мощности в течение ВЧ-импульса наблюдался переход в режим улучшенного удержания, характеризующийся повышенными значениями плотности плазмы и электронной температуры. Измерения проводились зондами, расположенными в сечении DD в непосредственной близости от магнитных полюсов (рис. 1). Зонды находились под плавающим потенциалом. Регистрируемый сигнал подавался на анализатор спектра либо на осциллограф с предварительной частотной фильтрацией.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Измерялась переменная составляющая электростатического потенциала в периферийной области плазмы. Измерения проводились с помощью системы зондов, расположенных в периферийной области разряда. В ходе эксперимента в
В
о
св
Е? -
Ч С
(а)
ОЛЬШАНСКИИ и др. (б)
.........|
..........|1|щ11Ч
_
щи!......
Ш11||
(в)
йр
¡Щ
Рис.
б) -
10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50
/, МГц
2. Спектры флуктуаций при различных значениях мощности, подаваемой на антенну ВЧ-нагрева: а) — PRF = 70 кВт; 110 кВт, в) — 125 кВт. Частота /0 = 8.8 МГц.
0
краевой области наблюдалось возбуждение достаточно большого количества гармоник частоты накачки (вплоть до десятой гармоники). При этом предварительные измерения показали, что в частотном спектре ВЧ-тока, подаваемого на антенну, присутствуют лишь первые три гармоники. Кроме того, в спектре колебаний в краевой плазме, вблизи гармоник частоты ВЧ-нагрева, наблюдалось возбуждение электростатических флуктуаций. Спектр наблюдаемых флуктуаций демонстрировал сильную зависимость от подаваемой на антенну ВЧ-нагрева мощности, а также от режима удержания. Необходимо отметить, что эксперименты проводились при использовании лишь одного генератора системы ВЧ-нагрева, и высокочастотная мощность вводилась в объем удержания с помощью одной антенны (ВЧ-антенна I). Частота ВЧ-накачки составляла / = 8.8 МГц.
Зависимость от мощности ВЧ-нагрева
Проводились измерения спектров флуктуаций в области первых пяти гармоник частоты ВЧ-на-качки при различных значениях мощности, подаваемой на антенну ВЧ-нагрева. Эксперименты проводились в режиме с удерживающим магнитным полем В0 = 0.7 Тл. Спектры измерялись во временном интервале т = 32—42 мс (импульс ВЧ-нагрева т^ = 12—52 мс). При достаточном уровне вводимой ВЧ-мощности (Р^ > 110 кВт) в данном интервале наблюдался режим улучшенного удержания. В целом же, в рамках экспериментальных исследований мощность Ркр варьировалась в пределах от 70 кВт до 125 кВт. При этом форма спектров флуктуаций демонстрировала сильную зависимость от величины подаваемой на антенну мощности. Вариации Р^ приводили к заметному перераспределению амплитуды флук-туаций по частотам. В частности, при относительно малой мощности (Ркр = 70 кВт) наиболее интенсивное возбуждение флуктуаций наблюдалось
в области первых двух гармоник частоты ВЧ-на-грева (рис. 2а). При этом флуктуации с наибольшими амплитудами наблюдались вблизи первой гармоники (/ ± 2 МГц). Возбуждение флуктуаций имело место также и в области более высоких гармоник, однако уровень их был значительно ниже. Также был заметен достаточно высокий уровень флуктуаций в области низких частот (/ < 7 МГц).
Увеличение мощности (Ркр > 110 кВт) приводило к существенному изменению формы спектра. Наблюдалось заметное уменьшение уровня флуктуаций в области первой гармоники, но особенно сильный спад амплитуды наблюдался в области низких частот (/ < 7 МГц). Наиболее интенсивное возбуждение в этом режиме наблюдалось вблизи второй гармоники (2/0 ± 2 МГц). При этом также имело место увеличение уровня флуктуа-ций вблизи третьей гармоники частоты ВЧ-на-качки (рис. 2б,в).
Описанные выше результаты позволяют установить важную закономерность в поведении спектров флуктуаций при вариации энергии, подаваемой на антенну ВЧ-нагрева. Она состоит в том, что увеличение уровня мощности, подаваемой на антенну (вместе с сопутствующи
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.