Стрелков Основы текхники термоядерного експеримента 2015

тот: 60–140 ГГц. Это миллиметровый диапазон длин волн (5−2 мм). Длина волны значительно меньше поперечных размеров плазмы (метры или доли метра).

Малость длины волны излучения по сравнению с характерными масштабами изменения параметров плазмы и магнитного поля позволяет избежать трудностей ввода высокочастотной энергии в плазму. В этом случае можно говорить о распространении луча плоской электромагнитной волны в плазме. Если концентрация плазмы невелика, такая, что вдоль всей линии распространения волны частота излучения выше плазменной, то отражения луча не будет. Волна будет передавать энергию электронам плазмы в той области, где величина полного магнитного поля (тороидальное поле плюс поле тока) будет соответствовать частоте циклотронного вращения электронов.

Поглощение обыкновенной волны (вектор электрического поля волны параллелен вектору внешнего магнитного поля) происходит на первой гармонике электронной циклотронной частоты. Нагрев более плотной плазмы, где плазменная частота превышает циклотронную (для первой гармоники), возможен на второй гармонике электронной циклотронной частоты. В этом случае частота генератора СВЧ-излучения (гиротрона) должна быть вдвое выше, чем ce. При этом критическая плотность плазмы возрастает в четыре раза. Ввод СВЧ-мощности при электронно-циклотронном нагреве возможен с помощью открытых волноводов с любой точки поверхности камеры.

Эффективность ЭЦ-нагрева оказывается очень высокой. В экспериментах на первой гармонике на ТМ-3 [1.16] и Т-10 [1.17] с точностью до ошибок эксперимента вся энергия СВЧ излучения, введённого в камеру волноводами, поглощалась плазмой в области резонансного поля в результате одного прохода луча через плазму. Эффективность ЭЦ-нагрева остается практически неизменной и высокой в широком диапазоне изменения электронной температуры. Так, на установке Т-10 это условие выполняется в пределах изменения электронной температуры от 1 до 10 кэВ.

Благодаря своему резонансному характеру, область ЭЦ-нагрева для фиксированной частоте излучения будет локализована вблизи области резонансного поля. В токамаке это почти прямые вертикальные линии.

61

Использование генераторов излучения разной частоты позволяет изменять профиль выделения СВЧ-мощности вдоль большого радиуса плазменного шнура. Небольшое изменение величины тороидального поля в разных разрядах при фиксированной частоте генератора позволяет изменять зону выделения мощности дополнительного нагрева в плазме и исследовать влияние профиля выделения мощности на профиль распределения электронной температуры и тока по малому радиусу плазмы, и бороться с неустойчивостями. Фокусировка луча СВЧ-волн в вертикальном направлении позволяет ещё более локализовать область выделения СВЧмощности в плазме.

То обстоятельство, что энергия СВЧ-волны в этом методе передается электронам, с позиции перспективы реализации термоядерного реактора не представляется существенным, так как кулоновские времена обмена энергией между электронной компонентой плазмы и ионной заметно меньше времени удержания энергии, которое в данном случае должно соответствовать критерию Лоусона. Возможность контроля профиля электронной температуры является несомненным преимуществом этого метода. Во многих проектах термоядерных источников нейтронов (ТИН), использующих реакции синтеза D+T или T+T в системах плазма-пучок, для поддержания электронной температуры в пределах 0,5−1,0 кэВ предусматривается использование ЭЦР-нагрева.

Ввод СВЧ-волны в направлении, близком к тангенциальному относительно оси тора, позволяет генерировать ток в плазме для реализации идеи стационарного токамака, или для экономии вольтсекунд в омическом режиме на стадии нарастания тока (сокращение стадии пробоя).

На рис. 1.27 показана схема эксперимента по ЭЦР-генерации тока на установке Т-10. Метод ЭЦР имеет очевидные преимущества: это высокая эффективность нагрева, простота ввода мощности, возможность управления профилем вклада мощности по сечению плазменного шнура. Однако, как это всегда бывает, без недостатков не обойтись. Главное, это наличие отсечки при повышении плотности плазмы. Чем выше плотность, тем более высокой должна быть электронная циклотронная частота.

62

4.В диапазонах ионно-циклотронной и нижнегибридной частот давно разработаны мощные стандартные генераторы. В чём основная трудность использования ионно-циклотронных и нижнегибридных волн для дополнительного нагрева?

5.Каково соотношение между длинной электронно-циклотронных волн и поперечными размерами плазмы в токамаке?

6.Почему можно говорить о локальности нагрева электронноциклотронными волнами в токамаке?

7.Чему равна критическая концентрация при ЭЦР-нагреве на первой гармонике на частоте 28 ГГц?

8.Каковы пути повышения предельной концентрации плазмы в экспериментах по ЭЦР-нагреву?

9.Как вводится СВЧ-волна в токамак?

10.Как можно изменять профиль мощности нагрева в эксперименте?

11.Можно ли поддержать ток в токамаке с помощью ЭЦР-волн?

12.Найти положение «холодного» резонанса второй гармоники ЭЦ-частоты в Т-10 при В = 2,31 Тл; f = 140 ГГц.

1.10. Конструкция токамака

Физика высокотемпературной (термоядерной) плазмы относится к той категории наук, где самого предмета исследований в природе не существует, по крайней мере, в земных условиях. Учёные сами должны создать предмет исследований. Познать его свойства, понять, почему не всё задуманное получилось, и предложить конструкцию или усовершенствование конструкции установки следующего шага ведущего нас в «термоядерное эльдорадо».

Приступая к рассмотрению конструкции токамака и её эволюции, необходимо прежде всего иметь в виду, что все существующие и строящиеся токамаки – это, в принципе, трансформатор, вторичной обмоткой которого является тороидальный плазменный виток. Для стабилизации крупномасштабных неустойчивостей тока плазмы используется сильное (в сравнении с полем плазменного тока) тороидальное магнитное поле.

Основными системами токамака являются:

66

1)вакуумная камера и вакуумная система. Вакуумная камера

−это тот объём, где существует плазменный шнур. Вакуумная система обеспечивает достижение высокого вакуума в камере и напуск рабочих газов, как до возникновения плазмы, так и в течение импульса;

2)электромагнитная система, включающая индуктор, обмот-

ки управления положением и формой сечения плазменного шнура, обмотку тороидального магнитного поля, системы питания и управления для соответствующих обмоток;

3)системы дополнительного нагрева. Их основные типы и принципы построения кратко описаны выше;

4)многочисленные системы диагностики, задача которых – измерение различных параметров плазмы, их распределения в пространстве и во времени. Описанию физических основ и методов измерений параметров плазмы в токамаке посвящена вторая часть настоящей книги;

5)система управления и контроля в реальном времени, для которой во многих случаях первичная информация поступает из системы диагностики;

6)система сбора, обработки и хранения информации.

Схема токамака Т-10 представлена на рис. 1.30.

1.10.1. Вакуумная камера и вакуумная система

Очевидно, что камера токамака имеет форму тора. Камера должна обеспечивать достижение высокого вакуума (давление ниже 10-5 Па, вакуум лучше, чем 10-7 мм рт. ст.), иметь достаточно высокое сопротивление по тороидальному обходу для того, чтобы уменьшить долю тока, текущего по камере по отношению к току в плазме. Магнитное поле тока, текущего по камере, является одной из составляющих того «внешнего» рассеянного поля, влияющего на равновесие плазменного шнура. Его воздействие особенно заметно на начальной стадии, стадии пробоя и возникновения тока в плазме. Перед «рабочим импульсом» камера наполняется рабочим газом, обычно водородом или дейтерием. Камера имеет патрубки для откачки, напуска рабочего газа, доступа к плазме систем диагностики и дополнительного нагрева.

67

Рис. 1.30. Схема токамака Т-10: 1 – верхнее ярмо сердечника; 2 – обмотка размагничивания; 3 – обмотка управляющего поля; 4 – медный кожух; 5 – внутренний лайнер; 6 – лимитер; 7 – блок обмотки тороидального поля; 8 – плазма; 9 – патрубок; 10 – наружный сильфон; 11 – обмотка вихревого поля; 12 – центральный сердечник

Для достижения высокого вакуума камера должна прогреваться до температуры не ниже 200°С, камеры первых токамаков (Т-2, Т-3, Т-4, ТМ-3) прогревались до 400°С. В этих и многих других установках для повышения надежности герметичности камеры она окружалась наружным вакуумным объёмом (наружная камера). В данном случае наружный вакуум также обеспечивает термоизоляцию внутренней камеры при её прогреве.

В других вариантах имеется только один вакуумный объём и, соответственно, одна вакуумная система; термоизоляция камеры обеспечивается слоем наружной термоизоляции, а прогрев – внеш-

68

ними омическими нагревателями. В установках, где в электромагнитной системе используются сверхпроводники, вакуум наружной камеры обеспечивает термоизоляцию катушек, то есть сверхпроводящие катушки и их азотные экраны находятся внутри объёма наружной камеры; сама наружная камера в этом случае называется криостатом.

Удачным конструктивным решением на первых этапах развития токамака была идея использования гофрированной тонкостенной камеры (сильфона) из нержавеющей стали. Камера не имела изоляционных разъёмов, в ней возбуждался электрический ток, параллельный току в плазме. Для того чтобы уменьшить долю тока по камере по отношению к току плазмы, выбиралась нержавеющая сталь с относительно высоким удельным сопротивлением (около 1 Ом·мм2/м). Гофрировка также приводила к росту сопротивления камеры в тороидальном направлении, кроме того, она позволяла изготовить тонкостенную вакуумную камеру, выдерживающую атмосферное давление. Прогрев такой камеры, с целью очистки её поверхности, обращённой к плазме, осуществляется переменным (50 Гц) электрическим током, возбуждаемым в камере дополнительной первичной обмоткой трансформатора.

Количество и размер патрубков определяют привлекательность любого токамака как экспериментальной установки. Ограничения на количество и размер патрубков накладываются электромагнитной системой. Уменьшение числа катушек тороидального поля с целью увеличения размера патрубков приводит к росту гофрировки магнитного поля. Уменьшить гофрировку в этом случае при сохранении объёма плазмы можно лишь путем увеличения объёма магнитного поля. При использовании ферромагнитного сердечника необходимость размещения магнитопроводов с внешней стороны камеры создает дополнительные трудности при попытке увеличить число диагностических патрубков. На рис. 1.31 приведена внутренняя камера установки Т-15 (R = 2,4 м, a = 0,7 м). Камера имеет 12 диагностических сечений, в каждом сечении размещаются один горизонтальный патрубок и два вертикальных (верхний и нижний), для ввода систем дополнительного нагрева и размещения многочисленных устройств физической и технологической диагностик.

69