ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 6, с. 492-498
= ТОКАМАКИ
УДК 533.9:621.039.61
КОРРЕКТИРОВКА АКСИАЛЬНОЙ АСИММЕТРИИ ПОЛОИДАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В СФЕРИЧЕСКОМ ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М
© 2010 г. Ю. В. Петров, М. И. Патров, В. И. Варфоломеев, В. К. Гусев, Е. А. Ламзин*, Н. В. Сахаров, С. Е. Сычевский*
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия *Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова,
Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 09.07.2009 г.
Окончательный вариант получен 05.11.2009 г.
Проведены измерения тороидальной неоднородности полоидального магнитного поля (так называемых error fields, или ошибок магнитного поля, возникших при изготовлении и сборке электромагнитной системы) сферического токамака Глобус-М. Выявлена существенная неоднородность этого поля, соответствующая моде n = 1, которая приводила к возникновению запертой моды и срыву разряда. Компенсация данной неоднородности с помощью специальных корректирующих катушек привела к увеличению длительности разряда и улучшению глобальных параметров плазмы. В работе излагается методика определения неоднородности поля моды n = 1 и ее компенсации, приводятся результаты измерения зависимостей порогов проникновения моды m = 2/n = 1 от параметров плазмы, а также результаты экспериментов по достижению рекордных для токамака Глобус-М параметров после корректировки полоидального магнитного поля.
1. ВВЕДЕНИЕ
В реальном токамаке конфигурация магнитного поля не является аксиально-симметричной вследствие неточностей изготовления и сборки магнитной системы. Хорошо известно, что малые отклонения магнитных полей от аксиальной симметрии (так называемые error fields, или, далее — ошибки магнитного поля) с амплитудами Br/BT ~ ~ 10-4 (где Br — неоднородность радиального поля, BT — тороидальное поле) могут инициировать возникновение запертых винтовых МГД-мод с низкими волновыми числами m и n [1]. Происходит это благодаря тому, что резонансные гармоники ошибок полей замедляют вращение плазмы, вызывая появление магнитных островов в плазме, которая была бы стабильна в их отсутствие по отношению к тиринг-модам. При малых уровнях ошибок магнитных полей рост островов подавляется вращением плазмы. При превышении некоего порога, который принято называть порогом проникновения моды, когда частота вращения плазмы падает до ее половинной величины (ю0/2), вращение плазмы быстро замедляется до нуля и происходит рост невращающегося, или запертого острова, что обычно приводит к срыву разряда. Для современных сферических токама-ков, или токамаков с малым аспектным отношением (отношением большого радиуса к малому R/a), каким является Глобус-М, эта проблема наиболее актуальна, так как вследствие конструк-
тивных особенностей они работают при малых значениях тороидального магнитного поля ВТ ~ ~ 0.5 Тл и, следовательно, легче достигают значений вг1вт ~10-4. По -видимому, в сферическом токамаке следует ожидать более сильного эффекта от компенсации ошибок полей
Так как ошибки полей могут иметь довольно сложную пространственную структуру, и соответственно, содержать целый ряд гармоник с различными полоидальными и торидальными числами т и п, то их полная компенсация представляется весьма сложной задачей. Структура возмущающих полей индивидуальна для различных токама-ков, однако, как показал предыдущий опыт [2—6], существуют и общие закономерности. Так, наиболее часто доминируют гармоники с нечетными п, а наиболее сильными являются гармоники с п = 1, поэтому в качестве первого шага нами была сконструирована и изготовлена система корректирующих катушек, способная создавать компен-сируюшее поле моды п = 1 произвольного направления.
В данной работе описаны эксперименты по определению направления вектора возмущающего поля и его компенсации с помощью корректирующих катушек, приводятся результаты экспериментов, свидетельствующие об улучшении глобальных параметров плазмы токамака Глобус-М после корректировки ошибок магнитного поля, а
также исследуются зависимости порогов возникновения запертой моды от параметров плазмы.
2. КОРРЕКТИРУЮЩИЕ ОБМОТКИ НА ГЛОБУСЕ-M
Система корректировки ошибок магнитного поля на токамаке Глобус-М состоит из четырех катушек, специально сконструированных и изготовленных для этой цели. Катушки расположены симметрично вокруг внешнего обхода токамака, каждая имеет высоту 0.6 м и протяженность в тороидальном направлении 67.5° (см. рис. 1). Каждая катушка состоит из трех витков и способна пропускать ток до 2 кА, который создается с помощью управляемых источников питания по наперед заданной программе. Возможна коммутация катушек для создания горизонтального магнитного поля различной конфигурации. Для компенсации ошибок магнитного поля моды n = 1 необходимо создать однородное компенсирующее поле, методика определения величины и направления которого описаны в следующем разделе. Для этого противоположные катушки включались попарно последовательно и запитывались от двух управляемых источников тока. Величина и направление токов в парах катушек выбирались таким образом, чтобы получить необходимое суммарное поле. На рис. 1 показано расположение корректирующих катушек, обозначенных буквами A, B, C, D и приведена диаграмма, поясняющая получение компенсирующего поля нужной величины и направления. Тонкими стрелками изображены векторы магнитного поля, создаваемого парами катушек, а жирной стрелкой — вектор суммарного поля. При указанной выше схеме включения катушек создается магнитное поле со спектром, в котором доминируют нечетные гармоники по n, наиболее сильной из которых является n = 1. Для компенсации ошибок магнитного поля с большими волновыми числами n и произвольной фазовой ориентацией в тороидальном направлении необходимо большее число корректирующих катушек. Мы остановились на системе из четырех катушек, поскольку, во-первых, поля ошибок моды n = 1 c наибольшей вероятностью возникают из-за неточностей при сооружении токамака, во-вторых, в наших предыдущих экспериментах по идентификации МГД-мод [7] было установлено, что доминирующими в Глобусе-М являются моды с n = 1 (а именно, моды m = 1/n = 1 и m = 2/n = 1), и в-третьих, компенсация моды n = 1 на сферических токама-ках MAST и NSTX [2, 3] дала хорошие результаты.
(A,B,C,D) на токамаке Глобус-М.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОШИБОК МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Для определения направления неоднородности магнитного поля моды п = 1 в токамаке Гло-бус-М применялась методика, описанная в работе [2]. Эксперименты проводились в режиме омического нагрева плазмы, при тороидальном магнитном поле в диапазоне 0.3—0.4 Тл, токе по плазме 150—200 кА и плотности в диапазоне (15) х 1019 м-3. Измерялся порог проникновения запертой моды, который определяется как суммарная величина собственной ошибки поля и возмущающего поля, прикладываемого при помощи корректирующих катушек. На рис. 2 в качестве примера приведены осциллограммы из разряда № 22607, демонстрирующие метод данных измерений. Во время стабильной фазы тока по плазме в пару корректируюших катушек (например, А—С) заводился линейно нарастающий во времени ток, создающий внешнее возмущающее поле преимущественно моды п = 1, как это показано на рис. 2. При превышении пороговой величины тока (т.е. суммарного возмущающего поля) в разряде развивалась запертая мода, которая проявляла себя по ряду характерных признаков. На рис. 2 хорошо видно, что начиная со 160 мс падает плотность, измеряемая интерферометром вдоль вертикальной хорды, расположенной на радиусе Я = 0.42 м, и растет свечение линии Da, что свидетельствует о деградации удержания плазмы. Кроме того, со 158 мс обнуляется сигнал зонда Мирнова, демонстрировавший существование до
ток плазмы, кА 200
100 0
ток обмоток компенсации, кА • виток 2
средняя по хорде плотность (R = 42 см), 1019 м 3 3
2
1
0
D-альфа, отн. ед. 2
зонд Мирнова, отн. ед. 1
140
время, мс
170
Рис. 2. Осциллограммы разряда № 22607, вертикальной линией отмечен момент проникновения запертой моды.
4 г
'BD
AC
-4-3-2-10 1 2 3 4 ток обмоток АС, кА • виток
Рис. 3. Токи в корректирующих обмотках, требуемые для инициации запертой моды.
этого момента вращающейся моды m = 2/n = 1. На более быстрой развертке видно, что за несколько миллисекунд до этого частота вращения моды начинает уменьшаться, т.е. вращение моды замедляется вплоть до полной остановки, что и приводит к обнулению сигнала зонда. С этого момента растет запертая мода, которая в конечном счете приводит к срыву на 166 мс. Следует отметить, что вращающаяся МГД-мода не всегда предваряет возникновение запертой моды. Так, в диапазоне плотностей плазмы (1—2) х 1019 м-3 отсутствует сигнал зонда Мирнова, при этом сохраняются все остальные признаки ее развития. Таким образом, мы фиксируем значение тока в катушках A—C на 160 мс как пороговое для проникновения моды. Далее проделываем ту же процедуру с противоположным направлением тока в катушках A—C, а затем то же с парой катушек B—D. Найденные значения пороговых токов наносим на диаграмму (рис. 3). Оказывается, что все четыре точки лежат на окружности, центр которой является точкой, в которой плазма наиболее устойчива по отношению ко внешнему возмуща-
ющему полю моды n = 1, а вектор из начала координат в эту точку определяет величины и направления токов в парах катушек, которые необходимо задать для приведения системы в наиболее устойчивое состояние. В принципе этого достаточно для того, чтобы скомпенсировать ошибку поля моды n = 1 для данных параметров разряда. Однако следует помнить, что величина порога проникновения моды зависит от плазменых параметров, таких как тороидальное поле, концентрация и запас устойчивости. Поэтому для компенсации ошибок полей в других условиях эксперимента потребуется измерение диаграммы типа той, что приведена на рис. 3, для новых условий. В более общем случае необходимо построить зависимости порога проникновения мод от плазменных параметров в широком диапазоне, охватывающем все операционное пространство тока-мака. Построение этих зависимостей необходимо также для сравнения с базой данных по другим у
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.