Эксперименты, проведенные на токамаке DIII-D [116], показали, что пороговое значение мощности, необходимое для СВЧ-пробоя составляет 250 кВт. Это позволяет ожидать, что для инициирования разряда в ИТЭР необходимая мощность составит 1 МВт. Было показано, что область пробоя соответствует области циклотронного резонанса, а условия пробоя зависят от угла ввода СВЧ-мощности (рис. 85). Наиболее оптимальным является ввод волны воль большого радиуса установки. Изменение тороидального угла ввода мощности на ±10° приводит к невозможности пробоя при тех же давлениях рабочего газа и величине вкладываемой мощности.
§ 15. НАГРЕВ И ГЕНЕРАЦИЯ ТОКА С ПОМОЩЬЮ НИЖНЕГИБРИДНЫХ ВОЛН
15.1. Основные закономерности и особенности использования нижнегибридных волн
Для нагрева электронной компоненты плазмы и, главным образом, для эффективного создания неиндукционного тока в плазме используются ВЧ-волны на частоте нижнегибридного резонанса:
ωLH = |
ωpi |
, |
|||
|
ω 2 |
||||
|
|
||||
|
1+ |
pe |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
ωce |
|
||
где |
ωpe = |
4πnee2 |
|
|
|
|||
|
|
— электронная |
плазменная частота, |
|||||
|
|
|||||||
|
|
|
me |
|
|
|
||
ωpi = |
|
4πni (ze)2 |
частота, ωce = |
eB |
|
|||
|
|
|
— ионная плазменная |
|
— |
|||
|
Mi |
|
mec |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
электронная циклотронная частота. Характерный диапазон час-
153
тот, используемых на современных установках, составляет 1-10 ГГц.
Для проникновения волн в плазму и достижения резонансного слоя должно быть выполнено условие
|
ω |
|
|
|
ω |
2 |
|
ω |
2 |
|
||
N|| > |
pe |
+ |
|
+ |
pe |
|
− |
pi |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
, |
|||||
ω |
ω |
ω |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
ce |
|
|
ce |
|
|
|
|||||
где ω — частота волны, N||=k||c/ω — индекс рефракции вдоль магнитного поля. Видно, что выполнение этого условия зависит от величины магнитного поля и плотности плазмы.
Эффект нагрева и создания тока обусловлен искажением функции распределения электронов в результате взаимодействия волны с плазмой: образованием квазилинейного плато в области скоростей
c |
< ve < |
c |
, |
N max |
|
||
|
N min |
||
где N||max и N||min – максимальное и минимальное значения индекса рефракции по спектру волны.
Основной проблемой использования нижнегибридного нагрева является трудность распространения волны между антенной и плазмой, так называемое сцепление волны с плазмой. Волна может проникать в плазму только, если плотность плазмы в непосредственной близости от антенны превышает критическое значение:
|
−3 |
|
|
f |
ГГц |
2 |
|
|
|
|
17 |
|
|
|
|||
ne > ncrit (м |
|
) = 3.1 |
10 |
|
|
|
. |
(19) |
|
|
5 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Оптимальным считается значение плотности nopt |
ncrit N2 [5]. |
|||||||
Для улучшения связи антенны с плазмой используются различные методы:
—оптимизация антенны, что позволяет расширить рабочий диапазон плотностей;
—поддув газа в область между антенной и плазмой позволяет удовлетворить условию (19);
—уменьшение расстояния между антенной и плазмой также позволяет выполнить условие (19).
154
15.2. Использование нижнегибридных волн в современных экспериментах
Генерация тока с помощью нижнегибридных волн (LHCD) позволяет получить наиболее высокое (по сравнению с другими методами) значение эффективности генерации. Достигнутые значения эффективности генерации тока по данным трех установок приведены на рис. 86. Особенно важно, что высокие значения были достигнуты на периферии плазменного шнура при r≥0.5a. Это позволяет рассматривать LHCD как наиболее выгодный метод для изменения профиля тока плазмы с созданием магнитных конфигураций с отрицательным широм, а также для создания режимов с полностью неиндукционным поддержанием тока. На токамаках, оснащенных комплексом нижнегибридного нагрева (например, JET), этот метод рутинно используется для создания немонотонных профилей тока.
ηˆ CD , 1019 А/Вт/м2
Рис.86. Эффективность генерации тока с помощью нижнегибридных волн [5]
Создание плато на функции распределения электронов с помощью LHCD позволяет использовать синергетический эффект для улучшения поглощения электронно-циклотронных
155
волн, и, как следствие, увеличения ЭЦ-тока, например, в режимах с высокой плотностью. Такие эксперименты были проведены на токамаке FTU (рис. 87).
Рис.87. Временная эволюция параметров плазмы при совместной работе нижнегибридного и электронно-циклотронного нагревов плазмы в токамаке
FTU [118]
В более ранних экспериментах нижнегибридный нагрев использовался для оптимизации стадии развития разряда. На рис. 88 показано сравнение экспериментов, проведенных на установке JT-60U, с использованием LHCD и без LHCD на начальной стадии разряда. Видно, что при использовании нижнегибридных волн удалось получить пробой при более низких напряжениях на обходе тора, а также при тех же пробойных напряжениях добиться более высоких скоростей роста тока. Этот эффект ожидаем, поскольку LHCD меняет функцию распределения электронов, увеличивая долю электронов с высокой продольной скоростью.
156