Введение к работе
В последнее время в исследованиях горячей плазмы в замкнутых магнитных ловушках, к которым относятся токамаки и стеллараторы, достигнут значительный прогрес. Эти исследования направлены на осуществление управляемой термоядерной реакции.
В токамаках в удержании и нагреве плазмы важную роль играет протекающий по плазме квазистационарный ток. Однако, достижение температур плазмы, необходимых для протекания термоядерных реакций, за счет одного только омического нагрева, связанного с пропусканием квазистационарного тока через плазму, невозможно. Поэтому широкое развитие получили исследования так, называемых дополнительных методов нагрева. Среди них. одно из ведущих мест занимают методы ВЧ нагрева, основанные на излучении вслн в диалозоне частот ионного циклотронного резонанса и поглощении их энергии частицами плазмы.
Наиболее успешные эксперименты по ионному циклотронному нагреву плазмы были выполнены с помощью быстрых магнитозвуковых волн. Они эффективно возбуждаются в штатной плазме полои-тльной антенной. Быстрые магнитозвуковые волны слабо поглощаются в условиях ц-клотронного резонанса, так как при приближении частоты волны к циклотронной изменяется ее поляризация, и левополяризованная компонента электрического поля волны, которая вращается в ту же сторону, что и ионы пл мы, и отвечает за их нагрев, становится очень малойсі].
В настоящее время используют три наиболее эффективных механизма поглощения энергии волны: режим малой добавки, режим конверсии мод, агрев на второй гармонике ионного циклотронного
резонанса.
В режиме малой добавки БМЗ волна распространяется в дейтериевой плазме, в которую для усиления эффекта поглощения волны добавляют небольшое количество водорода н или гелия „Не. Если частота волнн соответствует ионной циклотронной частоте добавки то БМЗ волна поглощается ионами добавки, а затем анергия передается основной массе плазмы за счет кулоновских столкновений. Нагрев плазмы в режиме малой добавки с успехом использовался на токамаках [2j.
При увеличении концентрации добавки по сравнению с оптимальной эффективность циклотронного поглощения падает, однако ионы добавки начинают влиять на дисперсию волн. Мекду резонансными поверхностями для каждой компоненты плазмы появляется поверхность ион-ионного гибридного резонанса, где показатель преломления БМЗ волны сильно возрастает. В области ион-ионного гибридного резонанса происходит конверсия БМЗ волны в медленную, которая затем поглощается как на электронах, так и на ионах плазмы в области ионного циклотронного резонанса. Эта схема нагрева получила название режим конверсии мод [3].
Нагрев плазмы на второй гармонике ионной циклотронной частоты является переелективним для реактора и больших термоядерных установок, так как в горячей плазме БМЗ волны испытывают достаточно сильное циклотронное поглощение ( для токамака реактора оптическая толщина плазменного столба 1=/111( я )dr будет больше единицы [І]). В небольших установках, к которым отпосится и стелларатор Л-2, этот механизм не монет обеспечить аффективный нагрев.
Большой интерес представляет возможность проверить на
стеллараторах те способы нагрева, которые с успехом применяются на токамаках и показали высокую эффективность, а именно, нагрев дейтериевой плазмы с добавкой водорода БМЗ волнами в реяимах малой добавки и конверсии мод.
Применение дополнительных методов нагрева в стеллараторах имеет большое значение, так как в этих установках возможно удержание плазмы без тока омического нагрева, только за счет токов во внешних проводниках. Применение дополнительных методов нагрева в стеллараторах открывает возможность создания стационарного термоядерного реактора.
На стеллараторах методы ИЦР нагрева плазмы теоретически и экспериментально изучены гораздо слабее, чем на токамаках. ?то,в частности, относится и к методам нагрева, которые используют быстрые магнитозвуковые волны. Непосредственное перенесение результатов экспериментов по ИЦР нагреву на токамаках на случай стеллараторов является не корректным в силу существег чго отличия структуры магнитных полей в этих двух типах замкнутых магнитных ловушек.
Однако более важным для стеллараторного направления является получение и нагрев бестоковой плазмы, что может приблизить возможность осуществления стационарной работы столларатора. Эксперименты по ИЦР нагреву бестоковой плазмы с помощью БМЗВ в режиме конверсии код были проведены на стеллараторе н-в [5]. Здесь плазма создавалась с помощью СВЧ излучения на частоте электронного циклотронного резонанса и затем на стационарной стадии разряда включался импульс ИЦР нагрева. Таким образом,эксперименты на стеллараторах л-2 и н-в показали, что ИЦР нагрев с помощью БМЗВ *> режиме конверсии ,мод
может быть с успехом использован на стеллараторах- как в токовом, так и в бестоковом режиме.
Целью настоящей работы является применение в стеллараторе тех методов ионного циклотронного нагрева плазмы, которые показали высокую эффективность в экспериментах на токамаках, а именно, нагрев дейтериевой плазмы с добавкой водорода быстрой магнитозвуковой волной в режиме конверсии мод, а также, изучение схемы, ранее не применявшейся для нагрева плазмы в тороидальных ловушках: нагрев . водородной плазмы на частоте ионного циклотронного резонанса с помощью БМЗ волн.
Для того, чтобы выполнить поставленную задачу автором был разработан и создав комплекс аппаратуры по ИЦР нагреву плазмы, состоящий из 'накопителя энергии, генератора и набора антенн, смонтированных в камере стелларатора. Для исследования возбуждаемых в плазме волн автором была создана диагностика для определения фазовой скорости и длины затухания плазменных волн, а также измеритель сопротивления излучения антенны, основанный на выделении падащей и отраженной волн.
Научная новизна и значимость работы.
Проведенные нами эксперименты показали, что эффективность нагрева дейтериевой плазмы с добавкой водорода примерно такая же как и на токамаках, то есть данную схему с успехом может быть применена для нагрева ионной компаненты плазмы в стеллараторе.
Впервые осуществлен эффективный нагрев водородной плазмы на . частоте ионного циклотронного резонанса. Эффективность нагрева
водородной плазмы на частоте ионного циклотронного резонанса оказалась выше по сравнению с нагревом дейтериевой плазмы. Однако нам не удалось однозначно выяснить, какой механизм отвечает за нагрев ионов в центре плазмы, поэтому требуются дополнительные эксперименты правде, чем можно будет рекомендовать этот метод нагрева для применения на других тороидальных магнитных ловушках.
Аппробация работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались на II Международной конференции по физике плазмы и УТС (Киото 1986), на 10 и II Европейских конференциях по физике плазмы и УТС (Москва 1981, Аахен 1983), на Всесоюзных конференциях по физика плазмы и УТС в Звенигороде (1982,1985), а тага» на семинарах отдела физики плазмы ИОФ РАН.
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в жу іале "Физика плазмы", в сборнике "Труды ИОФАН", в трудах международных и всесоюзных конференций,а также в виде препринтов ИОФАН.
Структура и объем диссертации.
диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 118 страниц машинописного текста. 38 рисунков. 3 таблицы и список литературы, включающий 77 наименований.
Похожие диссертации на Ионный циклотронный нагрев плазмы быстрой магнитозвуковой волной в стеллараторе Л-2
