14.6. Достоинства и недостатки метода генерации тока с помощью ЭЦ-волн

Основными преимуществами электронно-циклотронной генерации тока по сравнению с другими методами являются:

1)локальность вклада мощности (удается достичь полуширины профиля вклада мощности ~ 0.1ρ, где ρ=r/a [61]);

2)отсутствие материальных элементов, устанавливаемых внутри токамака.

в)

Рис. 83. Результаты расчета распространения пучка СВЧ-волн в плазме токамака Т-10 с высокой плотностью [88]: а— ne = 4.9 ×1019 м-3 ; б,в—

ne = 6.8 ×1019 м-3 . Даны проекции лучевых траекторий на меридиональную

(а,б) и экваториальную (в) плоскости. Символ характеризует область поглощения СВЧ-волн. Расчеты выполнены по коду TORAY-GA

147

Однако существенным недостатком метода является невозможность распространения волны в плазме с высокой плотностью.

Плотность отсечки определяется из условия: ω2pe < s2ωce2 — для обыкновенной волны и

ω2pe < s(s −1)ωce2 — для необыкновенной волны.

На рис. 83 приведены результаты расчетов рефракции СВЧволны в режимах с предельной плотностью плазмы [88] на Т-10, выполненные с помощью кода TORAY-GA [111] для геометрии ввода мощности с тороидальным углом 21 градус по направлению к большому радиусу. Видно, что при ne(0) 1020 м-3 доля рассеянной СВЧ-мощности составляет ~95 %. (Тороидальное магнитное поле в этих режимах соответствует центральному поглощению мощности). Как видно из того же рисунка уменьшение тороидального угла ввода до 5° приведет к практически полному однопроходному поглощению СВЧ-мощности при высоких плотностях плазмы вплоть до предельной.

14.7. Применение электронно-циклотронного нагрева/генерации тока

Электронно-циклотронный нагрев и генерация тока на различных токамаках используются для решения следующих задач.

1.Изменение профиля тока:

−немонотонный профиль тока в токамаке;

−изменение профиля вращательного преобразования в стеллараторах;

−полное замещение тока.

2.Управление МГД-активностью плазмы:

−тиринг-моды + NTM;

−пилообразные колебания;

−ELMs;

−срывы.

148

3.Увеличение поглощения на более высоких гармониках за счет преднагрева.

4.Управление профилем плотности электронов и примесей.

5.СВЧ-пробой.

6.Изучение электронного транспорта.

7.Специфическая проблема для стеллараторов — компенсация бутстреп-тока.

Электронно-циклотронный нагрев и генерация тока на небольших машинах используются для создания режимов с немонотонным профилем тока, а также для создания режимов с полностью неиндукционным поддержанием тока.

Однако основное направление использования метода – стабилизация неустойчивостей, то есть та область, где основное преимущество – локальность воздействия – используется наиболее полно.

Некоторые из задач рассмотрим подробнее.

14.7.1.Управление профилем тока плазмы при помощи электронно-циклотронной генерации тока

Современные экспериментальные и теоретические исследования показали, что изменение профиля тока плазмы является одним из необходимых условий для улучшения удержания плазмы как за счет формирования внутренних транспортных барьеров, так и в результате подавления МГД-активности плазмы. Два различных пути традиционно используются для создания немонотонных профилей q(r): дополнительный нагрев (и генерация тока) на стадии роста тока и генерация тока на стационарной стадии разряда. Экспериментально были продемонстрированы широкие возможности генерации электронноциклотронного тока (ECCD) в изменении q(r). Профили q(r) с обратным широм и различными значениями qmin (1<qmin≤2.3) создавались на Т-10 при ECCD (рис.84) [112]. Формирование профилей q(r) с обратным широм с qmin 1.5 за счет генерации электронно-циклотронного тока на плато тока позволили

149

наблюдать формирование электронного ВТБ в АSDEX Upgrade [113]. Электронные внутренние барьеры при использовании электронно-циклотронного нагрева/генерации тока также наблюдались в DIII-D [76] и FTU [114], Т-10 [71] на начальной стадии разряда.

Рис.84. Профили q(r), полученные в Т-10 в режимах с электронно-цикло- тронной генерацией тока при изменении магнитного поля. Ip=100 kA, Pab=0.4 MW: 1 - BT=2.47 T, 2 - BT=2.42 T, 3 – BT=2.38 T, 4 – омический режим [112]

14.7.2. Стабилизация МГД-неустойчивостей

Около двадцати лет назад было показано, что с помощью генерации электронно-циклотронного тока можно эффективно воздействовать на устойчивость МГД-мод. Стабилизация мод может быть обеспечена либо за счет изменения формы профиля тока в окрестности резонансной поверхности, либо за счет нагрева плазмы внутри магнитного острова и перераспределения профиля тока внутри магнитного острова.

Полная стабилизация NTM мод m/n=3/2 и 2/1 была успешно продемонстрирована в современных экспериментах с ECCD на

150