Введение к работе
Актуальность. В настояшее время одной из наиболее актуальных задач d области управляемого термоядерного синтеза является создание токам.ака-реактора. Необходимое требование к такой установке -возможность достижения высоких температур плазмы. Другим весьма желательным условием является создапие непрерывно работающего реактора, для чего необходимо поддерживать стационарный ток в плазме токомака. Эти проблемы могут быть эффективно решены с помощью ввода в плазму токамака высокочастотных (ВЧ) волн. Существует ряд известных схем ввода ВЧ мощности в плазму, отличающихся диапазоном частот и конструкцией устройств ввода, каждому из которых присущи свои достоинства и недостатки til. Последние несколько лет активно изучается новая схема ввода ВЧ мощности - с помоцью сильно замедленных плазменных воля, называемых также ионными бернштейновсюши (ЙБ) волнами (длина ИВ волн поперек внешнего магнитного поля - порядка ларморовского радиуса ионов) (2). Основными достоинствами этой схемы являются возможность использования для излучения ИЗ волн в плазму высокого узкого волновода, идеально пригодного для токамака-реактора, эффективный и локализованный в пространстве нагрев ионов, происходящий баз сильного искажения максвелловской функции распределения, отсутствие ограничений на спектр ИВ волн и на плотность плазмы. Таким образом, схема ввода ВЧ мощности с помощью ИБ волн объединяет достоинства других схем. В то же время проведенные эксперименты выявили ряд нелинейных явлений, связанных с возбуждением этих волн: затухание в области полукратных гармоник циклотронних частот ионов, а также развитие в некоторых случаях молкомаситабвих флуктуации плотности. Существует необходимость в теоретическом и экспериментальном исследовании этих явлений, так как они до настоящего времени остаются не понятыми. Не решен также вопрос о возможности поддержания тока втими волнами. Кроме того, численные расчаты профилей поглощения Ш волн требуют больших затрат машинной памяти и времени, поэтому актуальным является вывод простых асимптотических формул, которые могли бы дать качественную картину процесса распространения и поглощения этих волн в токамакв.
Основной целью работы является обоснование возможности поддержания тока ИБ волнами, анализ уравнений геометрической оптики для этих волн, исследование нелинейных явлений с помощью численних экспериментов .
Научная новизна. 1.Впервые получены асимптотические формулы, описывающие распространение ИБ волн в плазме токамака и эволюцию их спектра. Эти формулы позволяют, в частности, предсказать вид профилей поглощения ИБ волн на ионах и электронах для условий конкретного эксперимента, не прибегая при этом к длительным расчетам.
2.Сформулированы и обоснованы сценарии генерации тока ИБ волнами в токамаке. Показано, что основную роль в способе генерации тока этими волнами играет сильная ежолкция продольного волнового числа к, волны при ее распространении в плазме, которая возникает из-за неоднородности тороидального магнитного поля и винтовой структуры магнитного поля в токамаке.
3.Проведены численные расчеты профилей плотности генерируемого ИБ волнами тока и вффективностей генерации тока для некоторых сформулированных сценариев в реальной трехмерной геометрии токамака, с учетом полоидального магнитного поля, запертых электронов, спектра излучения антенны и связи антенны с плазмой. Показано, что использование ИБ волн позволяет профилировать ток в плазме. 4.Проведено моделирование методом частиц процесса возбуждения монохроматической ИВ волны в плазме, выявившего возникновение сильной динамической поляризации плазмы этой волной.
Практическая ценность работы. 1.Проведенный анализ уравнений распространения ИБ волн может быть использован при постановке экспериментов по вводу этих волн в плазму токамака. Из него следует, что результат эксперимента главным образом зависит от двух параметров: от положения зон ионно-циклотронного резонанса в плазма и от положения антенны относительно экваториальной плоскости плазмы. Меняя эти два параметра, как показано в диссертации, можно добиться либо полного поглощения ИБ волн на ионах, либо полного поглощения на електронах, причем можно получить как периферийный, так и объемный награв электронов, а при некоторых условиях можно создать ток увлечения этими волнами. При этом остальные параметры плазмы, а
также конструкция излучающего устройства, могут не потребовать никакого существенного изменения. Главным достоинством способа генерации тока ИБ волнами является использование антенн с симметричным спектром излучения, что значительно снижает сложность конструкции антенной системы и, соответственно, материальные затрати.
2.Для численного моделирования экспериментов отлажен быстродействующий трехмерный код, который позволяет рассчитивать профили плотности генерируемого тока и профили поглощения волн на ионах и электронах, с учетом реальных условий эксперимента. Код может быть использован для оптимизации параметров эксперимента. 3.Результата моделирования возбуждения ИБ волн методом частиц могут способствовать созданию теории развитая мелкомасштабных флуктуации плотности при вводе ИБ волн в плазму, а также позволяют сформулировать условия, при которых можно избежать этого нежелательного явления.
Автор выносит на защиту: 1.Результаты теоретического анализа уравнений распространения ИБ волн в плазме токамака.
2.Обоснование возможности генерации тока ИБ волнами. 3.Результаты численных расчетов по генерации тока и по нагреву плазмы ИБ волнами для условия токамака ТО-2.
4.Результаты численного моделирования методом частиц возбуядения ИБ волн в плазме.
Апробация диссертации и публикации. Результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы в Звенигороде в 1991-1992гг., на Всесоюзном совещании по высокочастотному нагреву плазмы в Киеве в 1990г., на научных семинарах Отдела импульсной энергетики Троицкого института инновационных и термоядерных исследовании, Отделения физики плазмы Института атомной энергии. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х работах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заклшения, трех приложений и имеет объем 110 страниц, 25 графиков и рисунков. Список цитируемой литературы включает 61 работу.
