пропорциональный градиенту температуры. Аккумуляция примесей может приводить к радиационному коллапсу [65].

Управление профилем плотности примесей обычно осуществляется опосредованно через управление профилем плотности электронов. На установках ASDEX-Upgrade, DIII-D, JT-60U успешно используется электронно-циклотронный нагрев (см. раздел 5.3). Эффективное уплощение профиля плотности углерода и никеля при электронно-циклотронном нагреве было продемонстрировано в DIII-D [35]. Показано (см. рис. 18), что электронно-циклотронный нагрев препятствует накоплению примесей и ведет к уплощению плотности плазмы, однако мало меняет профиль полного давления плазмы. После включения электронно-циклотронного нагрева эффективный заряд плазмы снижается на 30%.

Важный вопрос – перенос гелия в режимах с ВТБ, поскольку гелий образуется в результате термоядерной реакции, а накопление гелия в центральной области плазменного шнура снижает выход термоядерной реакции. Как было показано в разделе 5.3.4, эксперименты, проведенные на токамаке JT-60U, продемонстрировали, что легкие примеси (гелий, углерод) не накапливаются внутри ВТБ, даже если ионный тепловой транспорт снижается до неоклассического уровня [34].

9.4. ВТБ в условиях, удовлетворяющих требованиям реактора

Для достижения необходимого термоядерного выхода при работе в стационарных разрядах со значительной долей неиндукционного тока токамак-реактор должен работать в условиях с Te~Ti, низком внешнем моменте тороидального вращения и при плотности ne 0.85nGw .

До настоящего времени таких данных довольно мало. Эксперименты проводились на токамаках ASDEX Upgrade, JET, JT-60U [65] при комбинации различных методов нагрева для достижения равных температур ионной и электронной компо-

97

нент плазмы и инжекции пеллет для достижения необходимой плотности плазмы.

Было показано, что в экспериментах с отрицательным магнитным широм на JT-60U не наблюдается никакого ухудшения удержания с мощностью при Te~Ti (рис. 55).

С другой стороны, деградация ВТБ в профиле ионной температуры и тороидального вращения наблюдается в режимах с монотонным профилем тока в DIII-D и JT-60U, когда к инжекционному нагреву добавляется электронно-циклотронный нагрев. Этот эффект объясняется зависимостью порога дестабилизации ITG моды от отношения Te/Ti.

Рис.55. Зависимость фактора улучшения удержания в JT-60U от соотношения Te/Ti в экспериментах с ВТБ при различных методах нагрева плазмы: NBI — нагрев с помощью инжекции пучков нейтральных атомов; NBI+ECRH — комбинация инжекционного и электронно-циклотронного нагрева [80]

Оценки, выполненные для ИТЭР показывают, что в будущем реакторе можно ожидать тороидальной скорости вращения плазмы Vφ ~ 100–150 км/с, что соответствует числу Маха Mφ~0.2. Это существенно ниже, чем значения, наблюдаемые на современных установках.

Однако упоминавшиеся выше результаты экспериментов на TFTR, эксперименты на JT-60U, DIII-D, JET и других установках (см. [65] и ссылки) показывают, что создание режима улучшенного удержания возможно при низких значениях скорости

98

тороидального вращения, но при благоприятной магнитной конфигурации (профиль тока с отрицательным широм).

Важный вопрос — создание режима с внутренним транспортным барьером, с заметным улучшением удержания по сравнению с базовым режимом (L- или Н-мода) с близкими температурами ионов и электронов, но при плотности плазмы, близкой к плотности Гринвальда. Для современных установок сложность работы при высоких плотностях связана с трудностью в поддержании значительной доли неиндукционного тока, а, следовательно, и в создании и поддержании необходимой магнитной конфигурации. Кроме того, увеличение плотности может приводить к снижению скорости спонтанного вращения плазмы, которое оказывает стабилизирующий эффект на неустойчивости и облегчает создание ВТБ.

HL

Рис.56. Зависимость фактора улучшения удержания по сравнению с L-модой от линейной средней плотности, доли плотности Гринвальда и эффективной столкновительности для результатов, помещенных в международную базу данных и полученных на различных установках. Для сравнения показано требование ИТЭР [81]

Для ИТЭР режим с плотностью, близкой к плотности Гринвальда — всё еще низкостолкновительный режим. Для современных установок невозможно одновременно выполнить требования ИТЭР по плотности и столкновительности (рис. 56).

99

Поэтому особенности режимов удержания при высокой плотности и при низкой столкновительности изучаются отдельно. Здесь будет рассмотрен вопрос, связанный с реализацией транспортного барьера при высоких плотностях, поскольку влияние столкновительности на перенос частиц уже обсуждалось подробно в разделе 5.3.

Внутренний транспортный барьер в режимах с высокой плотностью плазмы был сформирован на JET при помощи инжекции дейтериевых пеллет (макрочастиц). При многократной инжекции пеллет в течение одного импульса в режиме с отрицательным магнитным широм был создан режим с ВТБ при Те~Ti, ne = 0.85nGw . При этом инжекция пеллет не сопро-

вождалась разрушением ВТБ, а только лишь его временным сужением. Аналогичные эксперименты были проведены на JT60U, FTU. Удалось создать улучшенное удержание при высоких плотностях, однако проблема заключается в стационарном поддержании полученного режима.

9.5. Взаимодействие внешнего и внутреннего транспортного барьеров

В ИТЭР основным рабочим режимом, как предполагается, будет Н-мода с ELMs III типа. Однако получение ВТБ в этом режиме было бы желательным с точки зрения увеличения энергетического выхода и увеличения доли неиндукционного тока плазмы. Поскольку, как обсуждалось выше, широкий ВТБ предпочтителен, то возникает необходимость оптимизировать режим таким образом, чтобы возмущения от граничных локализованных мод не разрушали ВТБ.

Влияние ELMs может проявляться в снижении эффекта улучшения удержания из-за сужения ВТБ и его разрушения. На рис. 57 приведен пример разряда JET, в котором происходит разрушение ВТБ при переходе от ELMs I к ELMs III.

Для снижения влияния граничных неустойчивостей на характеристики ВТБ необходимо снизить глубину проникно-

100