Введение к работе
Актуальность темы. Электронно-циклотронный (ЭЦ) метод создания и
ч нагрева плазмы занимает одно из ведущих мест среди других методов в
физических исследованиях проблемы зажигания и коь эля реакции
управляемого термоядерного синтеза (УТС). Результаты исследований на
современных термоядерных установках показывают, что в будущем ЭЦ метод
будет широко применяться для пробоя нейтрального газа и получения
"мишенной" плазмы; последующего её нагрева с одновременным
применением других методов; поддержания стационарного тока а токамак-
реакторе; подавления неустойчивостей плазменного шнура и формирования
пвофиля температуры плазмы.
Исследования циклотронного поглощения электромагнитных волн в плазме в полосе основного гирорезонанса электронов и его второй гармоники проводились на стеллараторе Л-2 и одновременно в других странах на крупнейших стелпараторах, а именно,: в США - на торсатроне ATF, в ФРГ - на стеллараторах W-7A и W-7AS, в Японии - на стоплараторах Н-Е и CHS.
При подготовке и проведении экспериментов возникает острая необходимость в (1) предсказании основных свойств электронно-циклотронного нагрева (ЭЦН) плазмы в реальной геометрии конкретной установки; (2) определении схем и условий, оптимальных для эффективного поглощения СВЧ мощности и нагрева плазмы; (3) объяснении характерных особенностей ЭЦН на данной установке. Для расчетов переноса тепла в плазме необходимо также знать профиль энерговыделения. Всо эти задачи можно решить при помощи численного моделирования эксперимента.
На стеллараторе Л-2 эксперименты по электронно-циклотронному нагреву плазмы проводились в различных условиях, а имонно,: как при частичном поглощении СВЧ мощности, так и при её полном поглощении за один проход плазменного шнура. Поглощённая СВЧ мощность в плазме стелларатора Л-2 может определиться по изменению производной диамагнитного сигнала в момент выключения СВЧ мощности. Полный коэффициент поглощения (0,3 - 0,4), измеренный этим методом в
экспериментах с оОыкновенной волной на частоте основного гирорезонанса, оказался далее меныш расчетного коэффициента (0,5 - 0,6) поглощения этой волны за один проход плазменного шнура. В другой схеме нагрева, а именно, при вводе необыкновенной волны на второй циклотронной гармонике; полный коэффициент поглощения, полученный из диамагнитных сигналов, не изменился по сравнению с эффективностью поглощения обыкновенной волны, а расчёты предсказывали почти двухкратное увеличение коэффициента однопроходного поглощения, а именно, до (0,9 - 0,99). Еопрос об эффективности поглощения в стеллараторе Л-2 оставался открытым.
При подведении энергетического баланса и корректного определения., энергетического времени жизни плазмы необходимо определить общий коэффициент поглощения СВЧ мощности, а для сравнения теории и эксперимента важно определить коэффициент однопроходного поглощения, так как модель расчёта лучевых траекторий и циклотронного поглощения вдоль них хорошо разработана для первого прохода греющей волны чероз плазменный шнур.
Для повышения эффективности электронно-циклотронного нагреиа плазмы необходимо разработать и подготовить линии передачи СВЧ мощности от генератора до плазмы, которые бы обладали высоким коэффициентом передачи и оптимальными параметрами волны, инжектируемой в плазму.
Цель и метод исследований. Цель работы состояла в повышении эффективности нагрева плазмы в стеллараторе Л-2 путем комплексной оптимизации как параметров инжектируемой волны, так и условий поглощения СВЧ мощности а плазме при электронно-циклотронном резонансе.
Оптимизация условий поглощения электромагнитных волн в плазме
стелларатора Л-2 проведена при помощи численного моделирования. В
экспериментах для получения оптимальных ./параметров СВЧ пучка
(поляризации, расходимости, линейных размеров, угла ввода) и условий
:
эффоктивного поглощения СВЧ мощности о плазма использовались хорошо разработанные методы измерения интенсивности электромагнитных волн.
Научная новизна и достоверность результатов. Особ .-юсть работы заключается в том, что задача повышения аффективное электронно-циклотронного нагрева плазмы в стеллараторе Л-2 решена комплексно. Перед началом экспериментов были определены оптимальные, с точки зрения эффективного поглощения СВЧ мощности, параметры плазмы в сложной геометрии стелларатора Л-2 с помощью 3* мерного численного кода. Получены основные функциональные зависимости коэффициента поглощения от параметров плазменного разряда. На стеллараторе Л-2 впервые были применены квазиоптическив линии с высоким коэффициентом передачи для транспортировки и вводу в плазму мощного элетромагнитного излучония гиротрона в. экспериментах по электронно-циклотронному нагреву. В экспериментах режимы эффективного нагрова плазмы стеллараторе Л-2 были получоны при помощи СВЧ диагностики.
Достоверность результатов численных расчётов подтверждается их совпадением о результатами тестовы:; расчётов по числэнному коду, составленному для расчэтов поглощения а стеллараторе ATF и адаптированному к Л-2, и совпадением с измерениями, проведенных хорощо разработанными и достаточно точными методами. Достоверность экспериментальных данных подтверждается широким набором фактического материала, полученной статистикой и хорошей их повторяемостью.
Практическая значимость. Результаты данной работы исполь?ооались при расчете профиля темпзратуры электронов и ионов при ЗЦ нагрпве п стелларатсра Л-2. Разработанный численный код г/окет служить осносой для разрабогки модели расчэтов поглощения в усло?м.;х искажения максвелловской функции распределения электронов по энергиям.
Созданы квазиоптическиэ линии с высоким коэффициентом для передачи мощных СВЧ пучков и их взоду в плазму стеллграто"а Л-2.
На стеллараторе Л-2 создана СВЧ диагностика для измерения эффективности поглощения электромагнитных волн в плазме. Метод, используемый в данной диагностике, является одним из самых простых и надежных.
Апробация работы и публикации.
Материалы настоящей диссертационной работы докладывались на семинарах отдела физики плазмы ИОФ РАН, мвжд*нароцном семинаре по ВЧ нагреву плазмы (Москва, 1988), на 15ой , 16ой и 17ой Европейских конференций по УТС и нагреву плазмы (Дубровник, 1988 г.; Венеция, 1989 г.; Амстердам, 1990 г.), и AIP конференции «ВЧ мощность в плазме" (Чарлестон, 1991).
Основные материалы диссертации опубликованы в работах [ 1 -12 ].
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения, содержит 119 страниц текста, 53 графика, рисунка и фотографии, список литературы содержит 130 источников.
