Стрелков Основы текхники термоядерного експеримента 2015

мощность, введённая в плазму одним из методов дополнительного нагрева, в несколько раз превышала мощность омического нагрева.

1.9.3. Инжекция быстрых нейтральных атомов

Идея метода чрезвычайно проста: заполнить магнитную ловушку (токамак) нейтральными частицами (атомами водорода) с энергией, в несколько раз превышающей желаемую температуру ионов плазмы. Нейтралы по прямым линиям влетают в токамак, ионизуются в результате взаимодействия с плазмой, созданной в режиме омического нагрева, и удерживаются магнитным полем (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Нормальная и тангенциальная инжекция нейтрального пучка в токамак (вид сверху)

Если нейтральный пучок движется вдоль оси y, то эквивалентный ток нейтралов из-за ионизации экспоненциально спадает:

рядки, электронной и протонной ионизации (см. рис. 1.20, где вместо T надо брать Eb/Ab). Характерная длина проникновения

b = 1/n .

Естественно, что в конкретном эксперименте энергия пучка нейтралов Eb должна выбираться в зависимости от плотности плазмы и геометрии опыта такой, чтобы основная доля нейтралов ионизова-

51

лась в плазме, причём максимум ионизации приходился на центральные, а не на периферийные области шнура. Величина b обычно не превышает одного метра. С ростом размеров и плотности плазмы оптимум энергии быстрых нейтралов смещается в область более высоких энергий пучка. Если для размеров установки типа Т-15 (R = 2,45 м; а = 0,45 м) оптимальная энергия Eb = = 40−80 кэВ, то для установки масштаба ИТЭР – это уже энергии 700 – 1000 кэВ. При сооружении инжекторов с энергией выше сотни килоэлектронвольт возникают дополнительные трудности.

Образовавшиеся быстрые ионы захватываются магнитным полем. Направление ввода пучка в камеру токамака может быть как по нормали к магнитной оси, так и по касательной (тангенциальная инжекция) (см. рис. 1.21). Тангенциальная инжекция может осуществляться как в направлении тока в плазме, то есть навстречу направленной скорости электронов (ко-инжекция), так и против (контр-инжекция). Из-за большого ларморовского радиуса дрейфовые траектории пролётных ионов сильно отходят от магнитных поверхностей на расстояние = Lq. При ко- и контр-инжекции ионы оказываются на разных сторонах «банана» (рис. 1.22, траектории I и II). Уравнение сохранения магнитного момента связывает место рождения ионов с его положением в пространстве скоростей. Если банан пересечёт стенку, то ион будет потерян, а в пространстве скоростей образуется «конус потерь» (рис. 1.23).

Рис. 1.22. Траектории банановых ионов при ко- (I) и контр-инжекции (II)

52

Рис. 1.23. Конус потерь при инжекции в установке Т-11

Образовавшиеся быстрые ионы передают свою энергию ионам и электронам плазмы в результате кулоновских соударений. Процесс торможения пучка описывается обычными уравнениями рассеяния заряженных частиц. В зависимости от соотношения величин электронной температуры Te, энергии пучка Eb и температуры ионов плазмы доля энергии пучка, передаваемая пучком электронной или ионной компоненте плазмы, будет изменяться по мере торможения (изменения энергии) пучка.

В типичных условиях эксперимента энергия инжектируемого пучка и параметры плазмы таковы, что ионы пучка (или альфачастицы) первоначально в основном теряют свою энергию при соударениях с электронами. По мере торможения ионов пучка их скорость падает, и доля энергии, передаваемой ионной компоненте плазмы, растёт (рис. 1.24).

53

ма этих токов даёт величину полного тока, текущего в плазменном

шнуре Jtot = JOH + JCD.

Если напряжение на обходе тора равно нулю (магнитный поток через площадь тора не изменяется) и электрическое поле отсутствует, то ток JOH = 0, а весь ток плазмы связан существованием пучка быстрых ионов, Jtot = JCD. Это обстоятельство позволяет использовать инжекцию для поддержания тока в стационарном режиме работы токамака, когда израсходован весь запас изменения магнитного потока индуктора и напряжение на обходе равно нулю.

Схема инжектора с использованием положительных ионов представлена на рис. 1.25.

Рис. 1.25. Схема инжекции с использованием положительных ионов

Инжектор состоит из ионного источника, нейтрализатора и сепаратора, разделяющего пучок нейтралов и заряженных частиц. В ионном источнике происходят ионизация рабочего газа, формирование и ускорение до рабочих энергий ионов пучка. В нейтрализаторе часть ионов пучка за счет эффекта резонансной перезарядки образует пучок быстрых нейтралов. Изменение давления газа в камере перезарядки позволяет оптимизировать максимальную долю нейтралов по отношению к числу ионов. Сечение резонансной перезарядки положительных ионов сильно спадает с ростом относительной энергии частиц ( = 10-15 см2 при энергии 10 кэВ и = 10-17 см2 при 100 кэВ).

Увеличение давления газа в камере перезарядки не может компенсировать падение доли нейтралов при переходе к энергиям вы-

55

ше 100 кэВ, поскольку увеличивается эффект рассеяния как ионов, так и нейтралов в результате соударений с газом в камере перезарядки. Доля положительных ионов, превращаемых в нейтралы при 200 кэВ, не превышает 2,5%. При создании пучка нейтралов с энергией выше 100 кэВ приходится использовать отрицательные ионы водорода. Доля отрицательных ионов водорода, превращаемых в нейтралы, при этих энергиях составляет около 60%. В сепараторе происходит очистка пучка нейтралов от ионов за счёт их отклонения поперечными магнитными или электрическими полями. Ионы попадают на стенку камеры и нейтрализуются.

Всовременных (импульсных) инжекторах образующийся газ откачивается сорбционными насосами, имеющими высокую скорость откачки, но ограниченную ёмкость. В будущем в стационарном инжекторе необходимо обеспечить непрерывную откачку потока газа с тем, чтобы сократить вероятность рассеяния пучка нейтралов на пути в токамак.

Втечение многих лет инжекционный нагрев успешно применялся для нагрева и поддержания тока в большинстве экспериментов на токамаках. Один из первых экспериментов – эксперимент на со-

ветской установке Т-11, где мощность пучков составляла 2 × 0,6 МВт [1.15]. Суммарная мощность системы инжекционного нагрева с использованием положительных ионов в тритиевом эксперименте на американской установке TFTR составляла 40 МВт (1994 г.). Отношение термоядерной мощности к мощности, затраченной на нагрев плазмы в этих опытах, было около 0,27. Позднее (1997 г.) на европейской установке JET это отношение достигло 0,8. Проект ИТЭР предусматривает использование пучков отрицательных ионов с энергией 1 МэВ. Суммарная мощность системы инжекции – 33 МВт.

Вопросы к разделам 1.9.1–1.9.3

1.Что такое омический нагрев?

2.Чем определяется предельная температура плазмы в омическом режиме?

3.Может ли температура ионов превысить температуру электронов в омическом режиме?

56

4.Какие методы дополнительного к омическому нагреву плазмы вы можете предложить?

5.В чём состоит основная идея метода нагрева плазмы пучком быстрых нейтральных атомов?

6.Какая компонента плазмы нагревается пучком быстрых нейтральных атомов?

7.Что такое тангенциальная и нормальная инжекция?

8.Опишите схему устройства инжектора.

9.Можно ли поддержать стационарный электрический ток в токамаке, если изменение магнитного потока через сечение тора равно нулю и вихревое электрическое поле отсутствует?

10.Найти, на чём преимущественно тормозится:

а) -частица в термоядерном реакторе, начальная энергия E0 = 3,5 МэВ, электронная температура Te = 30 кэВ;

б) пучок быстрых дейтронов от нейтральной инжекции в токамаке JET (Eb = 140 кэВ, Te = 5 кэВ);

в) пучок быстрых дейтронов от нейтральной инжекции в токамаке Глобус (Eb = 35 кэВ, Te = 0,5 кэВ).

11. Оценить глубину проникновения быстрого нейтрала D в плазму с плотностью ne = 5 1019 м-3, энергией Е = 20 кэВ.

1.9.4. Высокочастотные методы нагрева и генерации тока

Использование ВЧ- и СВЧ-методов нагрева в токамаке предполагает возбуждение внешним генератором колебаний в плазме на одной из резонансных частот: циклотронные частоты ионов ci или электронов ce, нижняя LH и верхняя uH гибридные частоты. Также плазма характеризуется электронной pe и ионной pi плазменной частотой:

57

где 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, e – заряд электрона, me – масса электрона, mi – масса иона.

Параметр

ce

характеризует плотность плазмы в поле B. Если Pe > 1, то плазму называют плотной, если Pe < 1, то разреженной.

1.9.4.1.Нагрев на ионно-циклотронных

игибридных частотах

Нагрев протонов или дейтронов в диапазоне ионных циклотронных частот в магнитных полях 2–5 Тл требует использования электромагнитных волн с частотами 13–65 МГц, то есть волн метрового диапазона. В этой области частот имеются стандартные промышленно разработанные мощные генераторы, а основная трудность использования метода состоит возбуждении соответствующих волн в плазме. Частота этих волн значительно меньше плазменной электронной, и поэтому обыкновенная волна не должна проникать в плазму. Однако электромагнитные колебания затухают в проводящей среде на расстоянии масштаба длины волны от границы проводящей среды. Ионно-циклотронные волны в токамаке лежат в районе метрового диапазона, поэтому теоретически не существует препятствий для возбуждения с помощью соответствующей антенны колебаний в диапазоне ионных циклотронных частот в плазме с характерными метровыми размерами.

Обыкновенной электромагнитной волной в плазме с магнитным полем называется волна, распространяющаяся поперёк магнитного поля, а вектор электрического поля волны параллелен внешнему магнитному полю. У необыкновенной волны вектор электрического

58

поля перпендикулярен внешнему магнитному полю. Эти волны могут возбуждаться и в случае, если частота волны ниже плазменной. Следует отметить, что в силу малых размеров шнура на современных установках по отношению к длине волны возбуждение ионноциклотронных колебаний будет практически равномерным по всему сечению плазменного шнура, а поглощение ВЧ-мощности плазмой будет определяться условиями ионно-циклотронного резонанса. В токамаке для каждого сорта ионов это практически вертикальная зона, положение которой по большому радиусу определится частотой генератора и величиной магнитного поля.

С помощью системы антенн, расположенных в разных местах вдоль обхода тора, можно создать бегущую циклотронную волну и тем самым не только нагревать плазму, но возбуждать в ней дополнительный электрический ток. Как уже упоминалось, нагрев плазмы с помощью ионно-циклотронных волн практически не имеет ограничений в смысле выбора генератора необходимой мощности и частоты. Основная проблема – конструкция антенны, она должна обеспечить высокий коэффициент связи с плазмой так, чтобы значительная доля ВЧ-мощности, подведённой к антенне, выделялась в плазме. Кроме того, поверхность антенны работает как часть поверхности камеры, причём расположенной вблизи границы плазменного шнура. Поток примесей с поверхности антенны в плазму и разрушение антенны плазмой должны быть сведены к минимуму. В различных экспериментах мощность дополнительного ВЧ-нагрев составляла единицы МВт, на установке JET мощность ИЦР нагрева достигала 10 МВт. На рис. 1.26 показана ионно-циклотронная антенна JET.

59