ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011, том 37, № 12, с. 1075-1080
= ТОКАМАКИ =
УДК 533.9:621.039.61
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОРОИДАЛЬНЫХ АЛЬФВЕНОВСКИХ МОД НА СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М
© 2011 г. Ю. В. Петров, М. И. Патров, В. К. Гусев, А. Е. Иванов, В. Б. Минаев, Н. В. Сахаров, С. Ю. Толстяков, Г. С. Курскиев
Учреждение Российской академии наук "Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН", С.-Петербург,Россия Поступила в редакцию 21.01.2011 г.
Окончательный вариант получен 11.05.2011 г.
В экспериментах на токамаке Глобус-М в режимах с инжекцией нейтрального пучка с энергией 26 кэВ и мощностью 0.75—0.85 МВт на ранней стадии разряда наблюдались две ветви неустойчиво-стей, возбуждаемых быстрыми ионами: низкочастотная EPM (energetic particle mode), в диапазоне частот 5—30 кГц, и высокочастотная, в диапазоне 50—200 кГц, которая была идентифицирована как TAE (toroidal Alfven eigenmode). TAE развивались в начальной фазе разряда, в условиях, когда q(0) > 1 и прекращались с возникновением пилообразных колебаний, при q(0) < 1. Спектральный состав и положение зоны пространственной локализации моды не противоречат представлениям линейной теории. Характер развития мод на токамаке Глобус-М демонстрирует как некоторые общие с другими токамаками закономерности развития, так и специфические особенности.
1. ВВЕДЕНИЕ
Неустойчивости, связанные с наличием в плазме токамака быстрых надтепловых ионов, представляют большой интерес в связи с появлением значительной популяции надтепловых ионов при нагреве плазмы и генерация тока с помощью пучков нейтральных атомов, а также электромагнитных волн ВЧ- и СВЧ-диапазона. Это могло бы играть важную роль для моделирования неустойчивости, ожидаемой в плазме тока-мака-реактора, нагреваемого а-частицами с энергией 3.5 МэВ, которые возникают в результате термоядерной реакции D-T-синтеза. Как теоретические предсказания, так и многочисленные эксперименты показывают, что эти быстрые ионы могут возбуждать глобальные плазменные возмущения, которые приводят к деградации их же удержания посредством изменения их орбит. Подробный обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных этой теме можно найти, например, в материалах по проекту ITER [1, 2]. Результаты проведенных на настоящее время экспериментов показали, что существует два класса неустойчивостей, наиболее эффективно вызывающих аномальный транспорт быстрых ионов: (1) низкочастотные неустойчивости МГД-типа, такие как фишбон-неустойчивости, внутренние кинк и балонные моды, связанные с резонансом между частотой моды и частотой тороидальной прецессии быстрых ионов; и (2) более высокочастотные неустойчивости, такие как альфвеновские моды, обусловленные резонанса-ми с полоидальной пролетной/банановой частотой быстрых частиц. Неустойчивости второго ти-
па могут раскачиваться быстрыми частицами лишь при условии, что их скорость превышает альфвеновскую V} > УА, где УА = В/(4яп(т;)1/2, В — магнитное поле, пх и т1 — концентрация и масса ионов плазмы соответственно. Так как альфве-новская скорость пропорциональна магнитному полю, то при больших полях она составляет большую величину, и чтобы превысить ее, частица должна обладать очень большой скоростью. Это превышение легко выполняется для термоядерных а-частиц в силу их высокой энергии, однако количество проведенных плазменных экспериментов с а-частицами сильно ограничено [3, 4]. В качестве модели поведения термоядерных а-частиц могут использоваться быстрые ионы, производимые пучками нейтральных атомов, но так как их скорость существенно ниже скорости термоядерных а-частиц, то для выполнения условия у/УА > 1 магнитное поле в эксперименте должно быть существенно снижено. Подходящими установками для проведения таких экспериментов оказались сферические токамаки, или токамаки с малым аспектным отношением А = Я/а ~ 1.5 (Я и а большой и малый радиусы тора соответственно), так как они работают при магнитных полях, в несколько раз меньших, чем в традиционных токамаках с аспектным отношением А = = 3—4. При этом для превышения альфвеновской скорости У//УА > 1 достаточно энергии ионов в несколько десятков кэВ. На протяжении последнего десятилетия исследования неустойчивостей, возбуждаемых суперальфвеновскими ионами, про-
д
(D
X н О
Pi
X 00
X н
о «
о
X
р
и
171
время, мс
174
Рис. 1. Осциллограммы сигнала мягкого рентгеновского излучения в экваториальной плотности и сигнала зонда Мирнова, демонстрирующие развитие низкочастотной фишбон-неустойчивости (ЕРМ).
водятся на токамаках NSTX [5—10] в США и MAST [11—13] в Великобритании.
Настоящая работа посвящена первым результатам наблюдения этого типа неустойчивостей на российском сферическом (R = 36 см, а = 24 см, А = 1.5) токамаке Глобус-М [14], при значениях тороидального магнитного поля ВТ = 0.4 Тл и тока по плазме Ip = 200 кА. На токамаке используется комплекс нейтральной инжекции [15], способный генерировать пучки атомов дейтерия или водорода с энергией до 30 кэВ и максимальной мощностью до 1 МВт. Инжекция производится в экваториальной плоскости в тангенциальном направлении по току плазмы [16]. Ось пучка проходит по касательной к окружности с радиусом R = 30 см.
В экспериментах на Глобусе-М наблюдались две ветви неустойчивостей, связанных с пучком быстрых ионов: низкочастотная, в диапазоне частот f = 5—30 кГц, и высокочастотная в диапазоне 50—300 кГц. Низкочастотные колебания с относительной амплитудой B~/BT до 5 х 10-3 по отношению к величине тороидального магнитного поля BT регистрировались с помощью обычного зонда Мирнова без усилителя. Амплитуда высокочастотных возмущений была существенно ниже, B~/BT ~ 2 х 10-4, и для их наблюдения на фоне более сильных сигналов и помех использовался усилитель с полосовым фильтром с максимальным коэффициентом усиления ~30 в диапазоне 100—200 кГц. Датчик представлял собой петлю, именуемую далее альфвеновской, площадью 200 см2, расположенную в экваториальной плоскости и ориентированную на измерение радиаль-
ной компоненты магнитного поля. Имевшийся в распоряжении блок АЦП позволял проводить оцифровку экспериментальных сигналов с частотой до 1 МГц.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Низкочастотные неустойчивости, возбуждаемые быстрыми частицами, так называемые EPM [7] (energetic particle modes), наблюдаются в различных режимах работы токамака Глобус-М, как на стадии нарастания тока, так и на плато, и, чаще всего, представляют собой классические фиш-бон-неустойчивости (см. рис. 1), впервые обнаруженные на токамаке PDX [17].
До последнего времени на Глобусе-М не удавалось зарегистрировать альфвеновские неустойчивости АЕ (alfven eigenmods). Впервые их удалось обнаружить в экспериментах с инжекцией пучка на ранней стадии разряда. При этом на начальной стадии разряда сохранялся плоский профиль тока, когда центральное q не опускалось ниже единицы и в разряде отсутствовали пилообразные колебания. С началом пилообразных колебаний неустойчивости типа AE пропадали. Зарегистрированные моды по их частотному диапазону и особенностям поведения были интерпретированы как ТАЕ моды (toroidal alfven eigenmods) [18]. На рис. 2 приведены осциллограммы разряда № 27328, демонстрирующие типичный случай развития TAE в разряде с инжекцией нейтрального пучка дейтерия энергией 26 кэВ, мощностью 0.75 МВт в дейтериевую плазму. Характерные вспышки моды появляются на сигнале с альфвеновской петли, начиная с момента времени, ко-
ток плазмы, кА 200
100
0
средняя по хорде плотность, 1019 м-3 (R = 42 см) 6
4
2
0
сигнал альфвеновской петли, отн. ед. 2
сигнал зонда Мирнова, отн. ед 2
1
110 115 120 125 130 135 140 145 150 155
время, мс
Рис. 2. Осциллограммы разряда № 27328 при развитии неустойчивости типа ТАЕ.
гда из-за роста плотности выполняется условие У > УА, где V — продольная скорость быстрых ионов. При этом соотношение скорости пучковых частиц к альфвеновской скорости для центральной области разряда, У,0/УА(0) составляло величину порядка 1.8. Во время существования этой неустойчивости величина запаса устойчивости в центре #(0) не опускается ниже единицы, что подтверждается реконструкцией равновесия по коду EFIT [19, 20], а также косвенно "провальным" профилем электронной температуры [8], измеренным с помощью томсоновской диагностики (рис. 3), и отсутствием пилообразных колебаний.
В проведенных экспериментах наблюдался разнообразный характер существования моды. Чаще всего мода возникала в виде одиночных или периодических вспышек длительностью порядка 1 мс со временем нарастания несколько сот микросекунд. При благоприятных условиях очеред-
ная вспышка затягивалась на несколько мс при приблизительно постоянном уровне возмущения. В течение одной вспышки частота ТАЕ уменьшается либо плавно, либо достаточно резко (chirping mode). Типичные осциллограммы и спектрограммы для двух случаев (разряды № 27328 и № 27498) приведены на рис. 4. В обоих случаях инжекция производилась в дейтериевую плазму на стадии подъема тока. В разряде № 27328 инжектировался дейтериевый пучок энергией 26 кэВ, мощностью 0.75 МВт, а в разряде № 27498 — водородный пучок энергией 26 кэВ, мощностью 0.85 МВт. Атомы водорода и дейтерия при энергии 26 кэВ имеют скорость, определяемую по формуле Vb0 = (2E/m()1/2, 2.2 х 106 м/с и 1.6 х 106 м/с соответственно. Для оценки альфвеновской скорости по формуле VA = (B/4nnm()1/2 бралась среднехордовая плотность по интерферометру в момент возникновения моды. Для водо-
Te, эВ 400
300
200 -
100 -
20
30
40
50 60 R, см
Рис. 3. Профиль электронной температуры, измеренной томсоновской диагностикой в момент развития ТАЕ (№ 27328, 141 мс).
родного и дейтериевого пучка плотность составляла 1.5 х 1019 м-3 и 3 х 1019 м-3, а альфвеновские скорости 1.55 х 106 м/с и 1.1 х 106 м/с соответственно. В разряде с водородным пучком мода возникала при меньших значениях плотности, так как из-за большей скорости атомов водорода условие у> УА в случае водородного пучка выполняется раньше.
3. ОБСУЖДЕНИЕ
Поведение мод, инициируемых пучком на то-камаке Глобус-М, демонстрирует как некоторые схожие характеристики с аналогичными модами, наблюдаемыми на сфериче
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.