ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 6, с. 491-510
= ТОКАМАКИ
УДК 533.951.8
ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЫВОВ РАЗРЯДА В ТОКАМАКЕ Т-10
© 2013 г. А. М. Стефановский, М. М. Дрёмин, А. М. Какурин, А. Я. Кислов, С. Г. Мальцев, Г. Е. Ноткин, Ю. Д. Павлов, В. И. Позняк, А. В. Сушков
Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва, Россия
e-mail: stefan@nfi.kiae.ru Поступила в редакцию 14.09.2012 г.
Окончательный вариант получен 21.11.2012 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований срывов разряда на токамаке Т-10 при предельной плотности плазмы. Для группы "медленных" срывов изучена, по измерениям интенсивности генерации мягкого рентгена, динамика магнитной конфигурации центральной части токового шнура и проанализирована возможная роль моды m/n = 1/1 в возбуждении предсрывов или финальной фазы срыва. Показано, что процесс охлаждения электронов плазмы в предсрывах по своим характеристикам соответствует процессам охлаждения электронов при инжекции пеллеты в Т-10 и в предсрывах разряда в режиме "тихой моды". В последнем случае обнаружено, что причиной возникновения предсрывов и быстрого охлаждения электронов в центральной зоне плазмы является неустойчивость моды m/n = 2/1, ее спонтанная, пространственная перестройка и генерация "волны охлаждения" во время этой трансформации. Измерения температуры электронов в зоне моды m/n = 2/1 (по интенсивности излучения плазмы на второй циклотронной гармонике) показали, что процесс трансформации моды m/n = 2/1 приводит к возбуждению предсрывов и финальной фазы срыва не только в режимах с "тихой модой", но и в срывах обычных, омических разрядов. Совокупность экспериментальных результатов позволяет определить сценарий развития "медленных" срывов разряда в Т-10 при предельной плотности.
DOI: 10.7868/S0367292113060103
1. ВВЕДЕНИЕ
Интерес к исследованию срывов разряда в то-камаках связан, прежде всего, с тем, что в токама-ках больших размеров срывы приводят к многочисленным нежелательным последствиям технического характера, способным нарушить нормальное функционирование таких крупных установок, как ITER. Изучение этого явления, интересного и с физической точки зрения, возможно, позволит разработать методы воздействия на плазму, способные предотвратить срывы или ослабить тяжесть их последствий. Основные результаты исследований физики срывов разряда различной природы на тока-маках и эффективности разнообразных методов воздействия на плазму в процессе срыва представлены в обзорах [1, 2]. Из них, в частности, следует, что некоторые вопросы физики срывов по-прежнему остаются недостаточно ясными. Это касается и причины возникновения финальной фазы срыва— перезамыкания силовых линий или образования так называемого "вакуумного пузыря", и природы явлений, ведущих к охлаждению плазмы в "предшественниках" финальной фазы, или предсры-вах.
В данной работе предполагается сделать обзор некоторых характеристик срывов разряда в тока-маке Т-10, которые, на наш взгляд, как раз содер-
жат информацию о природе явлений, ведущих к охлаждению плазмы в предсрыве и в финальной фазе срыва. Представленные ниже экспериментальные данные получены на токамаке Т-10 во время экспериментальных кампаний 2010— 2011 гг. В этих кампаниях с разными экспериментальными программами были отобраны и рассмотрены срывы омических разрядов при предельной плотности плазмы с токами 200—300 кА (3.5 > qa > 2.5, где qa — "цилиндрическое" q на границе шнура). Предельной плотностью плазмы на токамаках обычно считается такое значение средней плотности плазмы, при достижении которой большинство разрядов кончается срывом. Как правило, предельная "рабочая" плотность плазмы составляет примерно 0.5—0.8 от плотности Гринвальда. На практике это соотношение зависит от многих параметров разряда. Важнейшие среди этих параметров — величина разрядного тока (или q на границе токового шнура), мощность нагрева плазмы, метод регулирования средней плотности плазмы (газонапуск или инжекция пеллет), степень очистки стенок разрядной камеры и т.д. В предлагаемой работе, в основном, рассмотрены срывы разрядов с газонапуском и медленным ростом плотности плазмы. Критические условия для срыва достигались только в конце
полной длительности разряда, определяемой системой питания токамака. Более ранние результаты исследований срыва разряда на Т-10 при предельной плотности плазмы в омических режимах и режимах с СВЧ-нагревом электронов, больших значениях qa (3.5—4) и более быстрым ростом плотности плазмы приведены в работах [3, 4].
В дальнейшем срывом разряда мы будем называть всю последовательность событий, которые обычно (в случае срывов по предельной плотности или при инжекции пеллеты) начинаются с резкого возбуждения моды m/n = 2/1 (в дальнейшем будем ее для краткости обозначать как m2) и, в конечном счете, приводят к затуханию разрядного тока в токамаке. Эта последовательность может состоять только из начального возбуждения моды m2, финальной фазы срыва и последующего спада разрядного тока. Однако нередко она может включать в себя и появление, после возбуждения моды m2, одного или нескольких так называемых предсрывов, или "предшественников", перед финальной фазой. Финальная фаза срыва, как правило, сопровождается почти полной потерей тепловой энергии плазмы и, главное, представляет собой быструю (за время порядка 1 мс и меньше) перестройку магнитной конфигурации системы, ведущую к перемешиванию плазмы во всем шнуре или его части. В результате, как известно, это приводит к некоторому увеличению полного тока плазмы [5] и к появлению отрицательного "пичка" на напряжении обхода. Эту финальную фазу мы будем называть реальным или "большим" срывом. Предсрывы в омических разрядах в токамаке Т-10, характеризуются, прежде всего, внезапным, быстрым падением температуры электронов в центральной области плазмы и резким прекращением этого падения в течение ~1 мс.
Напомним основные параметры установки Т-10: большой радиус токамака — 1.5 м, малый радиус плазменного шнура — 0.3 м и тороидальное магнитное поле в системе — 2.4 Тл. В экспериментах, представленных в настоящей работе, использовался стандартный набор диагностик, имеющихся на Т-10. Для наших целей важно, что, помимо определения других параметров плазмы, он включал в себя измерения 1) средней плотности плазмы по диаметру шнура (ne); 2) температуры электронов в нескольких точках малого радиуса плазменного шнура по интенсивности их циклотронного излучения на второй гармонике (ЭЦИ(г, t)); 3) интегральной интенсивности мягкого рентгеновского излучения вдоль вертикальных и горизонтальных хорд (ISXR(ri, zi)) и 4) возмущений магнитного поля тока магнитными зондами. Из показаний магнитных зондов формировался, с помощью специальной программы, сигнал, пропорциональный (в цилиндрическом приближении) произведению ампли-
туды на частоту второй полоидальной гармоники фурье-разложения возмущений магнитного поля тока (Imhd2). В условиях срыва, т.е. при большом возмущении магнитного поля тока, этот сигнал иногда искажался из-за перегрузки аппаратуры.
В разд. 2 приведены примеры срывов разряда в токамаке Т-10 при достижении предельной плотности плазмы и срывов, возникающих после ин-жекции водородных (возможно, с малой долей примесей) пеллет. Это сделано для того, чтобы определить, какие именно срывы разрядов анализируются в данной работе и какие типы срывов остаются за пределами нашего анализа. Структура магнитной конфигурации в центральной зоне плазмы (внутри магнитной поверхности q = 2), возникающая после возбуждения моды m2 и определяемая, в основном, по колебаниям интенсивности мягкого рентгеновского излучения вдоль различных хорд, обсуждается в разд. 3. При этом показано, что для внешней части этой зоны имеются свидетельства эллиптической деформации магнитных поверхностей плазмы островами тиринг-моды m2. Во внутренней части зоны результаты измерения интенсивности излучения мягкого рентгена соответствуют колебаниям плазмы типа моды m/n = 1/1. Разд. 4 посвящен выяснению возможной роли этой моды, мы обозначаем ее как m1, в предсрывах или финальной фазе срыва. В разд. 5 проводится сравнение эволюции температуры электронов плазмы во время предсрывов при срыве омического разряда с экспериментальными данными об изменении температуры электронов при инжекции водородных пеллет в плазму омических разрядов и во время предсрывов в режиме "тихой моды" в Т-10. Эти сопоставления позволяют определить характер процессов, возникающих в эволюции моды m2 и инициирующих, по нашему мнению, переход в предсрывы и "большой" срыв. В разд. 6 обсуждаются основные результаты экспериментов. В Заключении приводятся главные выводы, следующие из анализа экспериментальных данных.
2. СРЫВЫ ПРИ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ И ПРИ ИНЖЕКЦИИ ПЕЛЛЕТ
Ниже приведены краткие характеристики срывов разряда в токамаке Т-10, возникающих при достижении критической средней плотности плазмы в токовом шнуре. Простейшая, формальная классификация срывов по предельной плотности может быть сделана на основе наблюдения предсрывного (предшествующего реальному срыву) поведения макроскопических параметров плазмы (таких, как средняя плотность плазмы, ее центральная температура, излучение жесткого рентгена и т.д.). В случае возникновения пред-срывов, как уже отмечалось, реальному срыву разряда всегда предшествует внезапное уменьше-
Рис. 1. Изменение различных параметров разряда и плазмы в случае срыва разряда с предсрывами: 1 — ток плазмы; 2 — интеграл интенсивности мягкого рентгеновского излучения по центральной, вертикальной хорде, /§хя(+0.5 см); 3 — интенсивность МГД-возмущений (мода т2) /мнD2; 4 — средняя плотность плазмы пе; 5 — интенсивность электронно-циклотронного излучения (ЭЦИ) для г = +2.9 см. (Расстояние г отсчитывается от центра разрядной камеры вдоль большого радиуса тора. Знак "+" означает смещение наружу, "—" — внутрь тора.)
ние центральной температуры электронов во время предсрывов. Пример разряда с таким предсры-вом показан на рис. 1 (ток в этом разряде равен 320 кА и средняя плотность плазмы перед срывом 5.2 х 1013 см-3). Фигурирующая в подписях к эт
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.