научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ В РАЗРЯДАХ С НЕЙТРАЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ НА СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ В РАЗРЯДАХ С НЕЙТРАЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ НА СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 2, с. 99-113

= ТОКАМАКИ

УДК 533.9

ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ В РАЗРЯДАХ С НЕЙТРАЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ НА СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М

© 2008 г. Б. Б. Аюшин, А. Г. Барсуков*, В. К. Гусев, Л. А. Есипов, Е. Г. Жилин**, Г. С. Курскиев, Р. Г. Левин, В. М. Леонов*, В. Б. Минаев, М. И. Патров, Ю. В. Петров, Н. В. Сахаров, Г. Н. Тилинин*, С. Ю. Толстяков, Ф. В. Чернышев

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия

*Институт ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия **000 Иоффе Фъюжн Текноложи, Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 25.05.2007 г.

Окончательный вариант получен 20.06.2007 г.

Приведен обзор результатов, связанных с применением инжекции пучка высокоэнергичных атомов водорода в плазму сферического токамака Глобус-М. Во введении дано обоснование актуальности работы в свете реализации программы УТС и начала строительства токамака ИТЭР. Проанализированы трудности, связанные с применением метода на малых токамаках и токамаках с малым ас-пектным отношением. Представлены результаты численного моделирования эксперимента с помощью транспортного кода ASTRA. Показано, что применение метода нейтральной инжекции на сферическом токамаке Глобус-М обеспечивает эффективный нагрев ионов и рост энергозапаса плазмы. Основная часть статьи посвящена описанию экспериментов по инжекции в плазму сферического токамака Глобус-М пучка атомов изотопов водорода с энергией 22-30 кэВ и мощностью 0.4-0.8 МВт в широком диапазоне токов и плотностей плазмы. Проведены анализ полученных экспериментальных результатов и их сравнение с результатами моделирования, отмечены достигнутые рекордные значения параметров плазмы.

PACS: 52.50.Gj

1. ВВЕДЕНИЕ

В проекте ITER [1-3] в качестве основного метода дополнительного нагрева плазмы предусматривается применение нейтральной инжекции (НИ) [4]. Однако для создания коммерческого термоядерного реактора-токамака необходимо, прежде всего, уменьшить затраты на сооружение и эксплуатацию такого реактора. Одним из возможных путей достижения цели является снижение величины и объема удерживающего плазму магнитного поля. При условии, что потери энергии в основном определяются теплопроводностью, для соблюдения критерия Лоусона требуется обеспечить неравенство вТтЕ > 2.5/B2T для энергетического времени жизни тЕ (с) и

безразмерного давления плазмы РТ = 2ц0(р>/ B2T, где (p> - усредненное по объему кинетическое давление плазмы, BT - тороидальное магнитное поле (Тл). Снижение величины магнитного поля накладывает более жесткое условие на произведение РТтЕ. Достижение больших значений параметра РТ при сохранении удержания энергии на высоком уровне в низком магнитном поле воз-

можно в токамаках с малым аспектным отношением - сферических токамаках (СТ) [5-7].

Существует ряд причин, препятствующих достижению в токамаке термоядерных параметров плазмы только за счет протекания индукционного тока (омический нагрев). Во-первых, с ростом электронной температуры Te электропроводность плазмы увеличивается (а ~ т1'2 ) [8] и, соответственно, падает эффективность омического нагрева. Во-вторых, обеспечение устойчивости плазменного шнура по отношению к идеальным винтовым модам накладывает ограничение на предельно достижимый плазменный ток Ip [9-11]. В условиях крутого и вытянутого по вертикали тора выражение предела для нормализованного тока IN = Ip/aBT выглядит следующим образом:

imax - 5(1 + K2)/2qa(A - 1) [12]. Здесь к = b/a - вертикальная вытянутость плазмы, A = R/a - аспект-ное отношение, qa - запас устойчивости на границе плазменного шнура. В-третьих, применение индуктора в конструкции токамака налагает ограничение на продолжительность и амплитуду индукционного тока и не позволяет создать ква-

Параметры сферических токамаков второго поколения

———^^^^ Установка NSTX MAST Глобус-М

Параметр ———^^^^ (США) (Великобритания) (Россия)

Большой радиус Я, м 0.86 0.85 0.36

Малый радиус а, м 0. 68 0.65 0.24

Аспектное отношение А 1.27 1.3 1.5

Вытянутость к 2.5 <3 <2.2

Треугольность 5 0.8 0.5 0.4

Ток плазмы 1р, МА 1.5 (1.0) 2 0.36

Тороидальное поле Вт(0), Т 0.6 (0.3) 0.52 0.6

Длительность разряда, с 1 (5) 0.7 (5) 0.2

Методы дополнительного нагрева NBI (7 МВт) NBI (5 МВт) NBI (1 МВт)

HHFW (6 МВт) ECR (1.4 МВт) ICR (0.5 МВт)

Предельно достижимый удельный вклад мощности дополнительного нагрева, МВт/м3 0.9 0.4 3.0

зистационарный реактор. В настоящее время получили распространение следующие способы создания высокотемпературной плазмы: инжекция в плазму пучков атомов изотопов водорода с энергией десятки и сотни килоэлектронвольт и ввод в плазму ВЧ-волн в диапазоне частот плазменных резонансов (ЭЦР, ИЦР, НГР). Мощность таких источников достигает десятков мегаватт и значительно превосходит мощность омического нагрева. К преимуществам инжекции следует отнести изученность процессов, происходящих при взаимодействии частиц пучка с плазмой обычного токамака, и высокую воспроизводимость метода.

Впервые метод НИ на сферическом токамаке был успешно применен на установке START (Великобритания) [13], введенной в действие в конце 80-х годов. В режимах с НИ была продемонстрирована повышенная МГД-устойчивость конфигураций с малым аспектным отношением и были получены рекордные значения рт = 38% и Рд, = $t/In~ 5.9 (втв %, INв МА/м Тл), существенно превышающие значения, характерные для традиционных токамаков [14]. Также в режимах с НИ были достигнуты большие плотности плазмы вплоть до параметра Гринвальда G = na2ne/Ip ~ 1, (в единицах 1020 м-1/МА), и было показано, что время удержания энергии в основном соответствует скейлингу ИТЭР [15]. К существенным недостаткам экспериментов на токамаке START следует отнести малую длительность разряда и относительно низкие параметры плазмы, не позволяющие получить бесстолкновительный режим, характерный для термоядерного реактора-токамака. В установках следующего поколения (MAST [16], NSTX [17] и Глобус-М [18]), запущенных в конце 90-х годов, длительность разряда значительно превышает времена удержания частиц

и энергии в плазме, а мощность систем дополнительного нагрева значительно превосходит мощность омического нагрева. Основные параметры установок приведены в таблице, а подробное описание комплекса инжекционного нагрева токамака Глобус-М представлено в [19].

Применение метода нейтральной инжекции на малых токамаках (к ним можно отнести и сферический токамак Глобус-М) сопряжено с трудностями, связанными с недостаточной эффективностью поглощения нейтрального пучка плазмой из-за малой толщины мишени. В сферических токамаках ситуация дополнительно осложняется из-за большой протяженности орбит быстрых ионов в полоидальной плоскости при низком магнитном поле. Так, в токамаке Глобус-М радиальная протяженность орбиты протона с энергией 30 кэВ на наружном обводе установки составляет заметную часть малого радиуса токамака. Сказанное выше накладывает жесткие требования на условия проведения экспериментов: необходимо согласовать параметры инжекции и плазмы-мишени таким образом, чтобы минимизировать потери от пролета пучка насквозь, от захвата частиц на так называемые "неудерживаемые" орбиты и, таким образом, обеспечить удовлетворительное поглощение пучка для передачи энергии и импульса компонентам плазмы. Ниже будет приведено обоснование выбора схемы эксперимента по нейтральной инжекции на сферическом токамаке Глобус-М, рассмотрены возможности нагрева плазмы пучком атомов в зависимости от параметров мишени и приведены наиболее важные экспериментальные результаты, полученные к настоящему моменту.

2. АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ НИ ДЛЯ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ НА ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М

2.1. Процессы, определяющие передачу мощности от пучка плазме

Попадая в плазму токамака, часть быстрых атомов (энергия частиц, инжектируемых в плазму, во много раз превышает тепловую энергию частиц плазмы) инжектируемого пучка H0, либо ионизируется при столкновениях с ионами (H0 + + H+ —► H+ + e + H+) и электронами (H0 + e —► —► H+ + 2e), либо перезаряжается на ионах (H0 + + H+ —► H+ + H0) плазмы. Неионизованная в плазменном шнуре часть пучка составляет так называемые потери "напролет" (shine-through losses). Сечения вышеуказанных процессов зависят от энергии и массы быстрых атомов [20]. Для пучков с энергией на нуклон Eb/A меньше 40 кэВ основным процессом является перезарядка, для более высоких энергий - ионизация на ионах.

Для обеспечения высокой эффективности нагрева необходимо, прежде всего, чтобы пучок хорошо поглощался плазмой, т.е. длина пробега атомов пучка до точки их ионизации в плазме l должна, с одной стороны, не превышать толщины плазмы в направлении инжекции, а с другой стороны, быть не слишком малой, чтобы обеспечивать нагрев центральных областей шнура. Для случая тангенциальной инжекции (вдоль направления тороидального магнитного поля) оба требования будут выполняться, если

2a < li < 4a, (1)

где a - малый радиус плазменного шнура. Глубина проникновения пучка X, (ослабление в e раз) в диапазоне энергий атомов Eb = 20-100 кэВ может быть оценена по формуле [20]:

Xi = aEb/ne, (2)

где X, - в см, Eb -в кэВ, ne - в 1019 м-3, а коэффициент а равен 5.5 для пучка атомов водорода и 2.7 -для атомов дейтерия. При этом зависимость X, от температуры плазмы не учитывается (для рассматриваемого случая Eb = 30 кэВ, Te ~ 500 эВ учет ионизации частиц пучка электронами дает поправку порядка 20%). Из приведенной формулы видно, что глубина проникновения водородного пучка в плазму в 2 раза больше, чем дейтерие-вого. Присутствие примесей и увеличение эффективного заряда плазмы по сравнению с чисто водородной повышает роль процесса ионизации частиц пучка, а также приводит к перезарядке атомов пучка на ионах примесей. Глубина проникновения уменьшается, и повышается вероятность ионизации атомов пучка на периферии шнура. В свою очередь, образование примесей может быть обусловлено бомбардировкой стенок

частицами пучка. Для оценок будем считать, что li ~ 2X,. Тогда для условий эксперимента на тока-маке Глобус-М (a = 24 см, Eb = 30 кэВ), соотношение (1) будет выполняться для пло

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.

Показать целиком