ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В ПЛАЗМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА.

В.Г.Капралов, Р.К.Мусяев

Санкт-Петербургский государственный технический университет, Санкт-Петербург, Россия

   Одним из основных способов исследования электронного переноса в плазме является рассмотрение релаксации возмущения электронной температуры и плотности. Такие возмущения возможно создать с помощью инжекции в плазму твердых макрочастиц. На основе уравнений баланса энергии и частиц можно получить дифференциальное уравнение, связывающее возмущение электронной температуры и концентрации с характерным временем удержания энергии в плазме.
   Реальный сигнал достаточно хорошо аппроксимируется суммой затухающих экспонент с весовыми коэффициентами. Эти разложения представляют из себя разложения эволюции температуры и плотности по характерным временам процессов, влияющих на перенос тепла и частиц, с весами, характеризующими это влияние. В итоге задача сводится к получению значений весовых коэффициентов и показателей экспонент с использованием экспериментальных данных о температуре и концентрации, и к определению их связи с коэффициентами переноса.
   Для разложения экспериментальных сигналов по набору из затухающих экспонент необходимо применить один из методов цифрового спектрального анализа – метод Прони. Однако при высоких уровнях шума оценки экспоненциальных параметров обычно оказываются неточными и смещенными из-за воздействия шума.
   Для упрощения идентификации экспоненциальных сигналов, действительно присутствующих в данных, и улучшения точности оценок параметров можно применить разложение по сингулярным числам (РСЧ), и тогда можно понизить ранг аппроксимации для каждой матрицы данных посредством усечения соотношений для РСЧ до m главных сингулярных чисел. Эта процедура будет уменьшать вклад шума в матрицу данных, эффективно увеличивая отношение сигнал/шум. Если число экспонент неизвестно, то его можно оценить, сравнивая относительные величины сингулярных чисел. Сингулярные числа, связанные с сигналом, как правило, должны быть больше сингулярных чисел, связанных с шумом.

ПОЛУЧЕНИЕ ИОННО-ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ С b~1 НА УСТАНОВКЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА.

Карпушов А.Н., Аникеев А.В., Багрянский П.А., Дейчули П.П., Иванов А.А., Корепанов С.В., Лизунов А.А., Максимов В.В., Мурахтин С.В., Сауничев К.Н., *Ноак К., *Отто Г..

ИЯФ СО РАН, Новосибирск, Россия
*FZR, Dresden, Germany

   Программа исследований на установке Газодинамическая ловушка (ГДЛ) [1] ориентирована на получении плазмо-физической базы данных, необходимой для создания Нейтронного источника на базе ГДЛ. В настоящей работе представлены  результаты исследования накопления быстрых частиц и нагрева мишенной плазмы при увеличенной мощности атомарной инжекции [2].
   Система атомарной инжекции установки ГДЛ состоит из 6 инжекторов “Старт-3”. В 1997 году была выполнена модернизация системы атомарной инжекции:

• для повышения газовой эффективности были использованы генераторы плазмы с двумя независимыми газовыми клапанами;
• для управления инжекторами и контроля их работы использовалась система управления на основе транспьютеров;
• была проведена дополнительная юстировка ионно-оптических систем инжекторов;для повышения надежности работы инжекторов были модернизированы их системы питания.

• энергосодержание в быстрых ионах увеличилось с 300 до 500 Дж;
• плотность быстрых ионов со средней энергией 3-8 кэВ составила 10¹³ см^-3;
• b с учетом давления быстрых частиц и мишенной плазмы превысило 20 %;
• основную часть своей энергии быстрые ионы теряли при торможении на электронах мишенной плазмы, потери связанные с перезарядкой были малы и не превышали 50-100 кВт.

РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОБОЧНОГО ОТНОШЕНИЯ НА КОМПЕНСАЦИЮ ЭЛЕКТРОННОГО ДРЕЙФА В  КРЭЛЕ С МАГНИТНЫМИ ПРОБКАМИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКОВ В ВИТКАХ ДРАКОНА НА ПОЛОЖЕНИЕ МАГНИТНЫХ И ДРЕЙФОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В.В.Кондаков, С.Ф.Перелыгин, В.М.Смирнов

Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет), Москва, Россия

    Предложенная в 1981 году стеллараторная система ДРАКОН (Длинная РАвновесная КОНфигурация) составлена из отдельных равновесных частей: двух прямолинейных участков с однородным магнитным полем и двух замыкающих их КРиволинейных ЭЛементов (КРЭЛов) [1]. Равновесность элемента системы означает, что дрейфовые токи (в режиме отдельных частиц) и диамагнитные токи плазмы (в случае плазменного шнура) практически замкнуты в его пределах. В этой системе, по теоретическим оценкам, возможно достижение параметров плазмы, обеспечивающих протекание D³He-реакции, которая существенно менее радиационно опасна, чем современные ядерные реакции, основанные на делении тяжелых ядер.
    В данной работе представлены результаты численных расчетов магнитных силовых линий и траекторий электронов на математических моделях плазменной ловушки ДРАКОН и ее элемента, построенного в МИФИ на кафедре “Физика плазмы”, - КРЭЛа с магнитными пробками. Для последнего найден диапазон значений пробочного отношения, которое не ухудшает существенно компенсацию дрейфа частиц. Для значений пробочного отношения из этого диапазона рассчитаны размеры области входа в КРЭЛ электронов при создании плазменно-пучкового разряда. Подтверждено расчетами, что в параксиальном приближении магнитные силовые линии и траектории отдельных пролетных частиц при многократном обходе установки ДРАКОН с КРЭЛами, состоящими из трех полуторов, повернутых друг относительно друга на 120° в местах стыковки, образуют систему вложенных друг в друга тороидальных поверхностей с круглыми сечениями. При симметричном изменении распределения токов в витках ловушки эти поверхности смещаются относительно прежних положений, но их форма при этом сохраняется. Предложено распределение токов в витках ДРАКОНа, снижающее число частиц, запертых на неоднородностях магнитного поля в КРЭЛах, и уменьшающее проникновение в КРЭЛы электронов, запертых в пробкотронах.

   Работа поддержана РФФИ (проект 94-02-05596а).

   1. Glagolev V.M., Kadomtsev B.B., Shafranov V.D., Trubnikov B.A. - In Proc. 10-th Eur. Conf. Contr. Fusion and Plasma Phys, Moscow, 1981, v.1, rept.E-8

ИСПАРЕНИЕ ВОДОРОДНЫХ ТАБЛЕТОК В ПЛАЗМЕ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВОМ НЕЙТРАЛЬНЫМ ПУЧКОМ.

А.Ю. Кострюков, Б.В.Кутеев.

С.Петербургский Государственный Технический Университет, С.Петербург, Россия.

   Проанализированы эксперименты по инжекции водородных таблеток в плазму с NBI нагревом [1, 2]. Показано, что существует систематическое расхождение экспериментальных данных и существующих модельных предсказаний глубины проникновения таблеток, растущее с увеличением мощности дополнительного нагрева. Скорость испарения на периферии плазмы при NBI нагреве существенно растет по сравнению с инжекцией в омические режимы.
   Для описания проанализированных экспериментов предложена новая модель взаимодействия макрочастицы с плазмой с быстрыми ионами NBI нагрева. Представленная модель [3] является расширением двумерной кинетической модели испарения Кутеева [4, 5]. Модель описывает три эффекта, связанных с быстрыми ионами, приблизительно в равной мере увеличивающих скорость испарения таблетки.
    Перепад потенциала Df, возникающий между первичной и вторичной плазмой снижается от значений 1.4ґ(T_e/e) до 1.0ґ(T_e/e) при максимальном потоке быстрых ионов в облако. При этом поток электронов, экспоненциально зависящий от Df увеличивается на треть.
    Поток энергии быстрых ионов, хотя и не проникает к поверхности пеллета с направлений вдоль магнитного поля, однако нагревает облако, ускоряет его разлет и снижает оптическую плотность облака.
    С направлений поперек магнитного поля, где поток электронов мал ионы проникают к поверхности пеллета и дают дополнительное ее испарение.
    На периферии плазмы поток энергии электронов Q_e ~ n_eT_e^3/2 очень мал, поток энергии быстрых ионов Q_hi ~ n_hi ~ n_i ~ n_e растет быстрее и оказывается значительно больше Q_e . Таким образом все испарение на периферии определяется быстрыми ионами.
   Впервые рассмотрен эффект возникновения дополнительного перепада потенциала Df_add в нейтральном облаке вблизи поверхности пеллета. Показано, что Df_add<< T_e /e, то есть незначителен.
Результаты моделирования по новой модели сравниваются с экспериментальными результатами полученными на установках TFTR, DIII-D.
   Для базы данных TFTR получено хорошее совпадение результатов расчета глубины проникновения таблеток с экспериментом. Экспериментальный эффект на DIII-D несколько сильнее предсказываемого моделью.

   Литература.
   1.  Milora, S.L., Foster, C.A., Thomas, C.E., Nucl. Fusion 20 (1980) 1491.
   2.  International Pellet Ablation Database at www: http://ornl.gov.gat.com
   3.  B.V. Kuteev, A.Yu. Kostrukov, Hydrogen Pellet Ablation in Neutral Beam-Heated Plasmas. in Europhysics Conference Abstracts, 1995, v. 19C, Part 1, p. 121-124.
   4.  Kuteev, B.V., Nucl. Fusion 35 (1995) 431.
   5.  Kuteev, B.V., Tsendin, L.D., in Technology of Fusion Energy (Abstr. 11^th Top. Mtg., New Orleans 1994), ANS Inc., La Grande Park, IL (1994) 327 (Fusion Technol. (in press)).

О РАЗДЕЛЕНИИ ИЗОТОПОВ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДОМ ИЗОТОПИЧЕСКИ СЕЛЕКТИВНОГО ИЦР НАГРЕВА НА ВТОРОЙ ГАРМОНИКЕ

 Котельников И.А., Кузьмин С.Г.

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия

   Излагается теория разделения изотопов гадолиния методом изотопически селективного ИЦР нагрева плазменной струи, состоящей из ионов разделяемого элемента [1]. Представлены результаты расчетов нагрева в поле витковой антенны, возбуждающей в плазме вынужденные колебания с азимутальным числом  m=0.
   Известно, что при нагреве на 1-й гармонике циклотронной частоты циркулярная поляризация, вращающаяся в ионную сторону, экранируется током нагреваемых ионов при умеренной плотности плазмы. Поэтому при выделении изотопа Gd¹³⁷  из природной смеси гадолиния не удается поднять плотность струи выше n=10¹¹ см^-3  [1]. Нагрев на 2-й гармонике мал (по параметру r²/l² , где r  – и ларморовский радиус ионов, l  – длина антенны), однако позволяет продвинуться в сторону повышения плотности плазмы из-за отсутствия эффекта экранировки.
   Селективный ИЦР нагрев на 2-й гармонике обладает принципиальными отличиями от нагрева на 1-й гармонике. В частности, иначе записывается условие селективности нагрева:

где   – амплитуда ВЧ поля, w_pi  – плазменная частота ионов, n_ii  – частота ион-ионных столкновений. Другое отличие состоит в отрастании высокоэнергетичных хвостов на функции распределения резонансных ионов (см. рис.).

   Литература:
   [1]  В.И. Волосов, И.А. Котельников, С.Г. Кузьмин. // Физика плазмы. Т. 24. 1998.

DT NEUTRON SPECTRA STUDY ON BIG TOKAMAKS USING NATURAL DIAMOND DETECTORS

A.V.Krasilnikov¹, V.N.Amosov¹, A.L.Roquemore², P.Belle³, O.N.Jarvis³, G.Sadler³

¹Toitsk Institute for Innovating and Fusion Research
²Princeton Plasma Physics Laboratory
³JET Joint Undertaking

    Natural Diamond Detectors (NDD) [1,2] were developed in Russia and have been successfully used for deuterium - tritium (DT) neutron spectrometry and flux monitoring during high power Neutral Beam Injection and Ion Cyclotron Resonance Heating in tritium experiments at TFTR [3] and JET [4].
    Spectrometry application of NDD based on big (up to some mm) charge collection distance of selected natural diamonds. In the case of D-T neutron spectrometry the 14 MeV peak of the NDD pulse height spectra arising from the ¹²C(n,a)⁹Be reaction provides a 2-3% energy resolution. Such high resolution coupled with the high radiation resistance of diamonds (5*10¹⁴ n/cm²), and possibility of it’s operation at extremely high temperatures makes the NDD ideal for the energetic particles spectrometry in the high radiation environment of tokamak tritium experiments.
    Results of energetic and thermal ions distribution functions, toroidal plasma rotation measurements made during tritium experiments at TFTR and JET using NDD based spectrometers will be present.

   1. E.A.Konorova, S.F.Kozlov, Sov. Phys. Semiconductors 4, 1600 (1971).
   2.A.E.Luchanskii, S.S.Martynov, V.S.Khrunov, V.A.Cheklaev, Sov. Atomic Energy 63, 639 (1987).
   3. A.V.Krasilnikov, A.L.Roquemore, N.N.Gorelenkov, R.V.Budny in Proceedings of 16th IAEA conf. “Plasma Phys. And Contr. Nucl. Fus. Res.” Montreal-1996.
   4.  A.V.Krasilnikov, V.N.Amosov, O.N.Jarvis et.al. JET D-T neutron spectrometry using natural diamond detectors (to be published).

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАШЕНИЯ РАЗРЯДА В ТОКАМАКЕ T-10 МЕТОДОМ ИНЖЕКЦИИ МАКРОЧАСТИЦ

Б. В. Кутеев, В. М. Тимохин, В. Ю. Сергеев

Санкт-Петербургский государственный технический университет, Санкт-Петербург, Россия

   Возможность управляемого и сравнительно быстрого гашения разряда в аварийных ситуациях, либо в ожидании большого срыва, существенна для обеспечения надежной и дли-тельной работы дивертора и первой стенки токамака-реактора ITER [1]. В этой связи в рам-ках экспериментальных компаний 1997 г. на установке Т-10 были проведены исследования выключения разряда токамака инжекцией примеси с большим зарядом ядра.
   В экспериментах с помощью инжектора ДИМ-4 в плазму OH и ECR разрядов инжек-тировались макрочастицы KCl размерами 0.2-0.6 мм со скоростями 100-150 м/с, а также Ti 0.5-0.8 мм со скоростями 30-50 м/с. При этом наблюдалось значительное снижение темпера-туры за счет появления новых холодных электронов при ионизации инжектированных при-месей и роста мощности радиационных потерь плазмы. Это определяет вывод более 70-80 % тепловой энергии плазмы. В ряде случаев при инжекции Ti наблюдался также частичный вы-вод тока плазмы 10-20% от полного тока плазмы, что соответствует выводу до 20-40% энер-гии магнитного поля плазменного шнура.
   Проведено моделирование этих экспериментов путем численного решения системы одномерных транспортных уравнений. Данная модель использовалась для расчетов гашения разряда ITER [2]. Сравнение экспериментальных результатов, полученных на установке Т-10, с результатами численного моделирования позволяет сделать вывод об удовлетворительном соответствии модели эксперименту.
   В докладе также обсуждается генерация убегающих электронов при гашении разряда в рамках одномерной модели.

   Литература.
   [1] B. V. Kuteev, V. Yu. Sergeev, S. Sudo. Nucl. Fusion (1995) 35 1167.
   [2] V. Yu. Sergeev, V. M. Timokhin, V. A. Segal, B. V. Kuteev,  Europhysics Conference Ab-stracts, 1997, v. 21A, Part 3, p. 0973-0976.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ТРАНСПОРТНОГО БАРЬЕРА В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С ECCD НА Т-10.

Кирнева Н.А., Есипчук Ю.В., Мартынов А.А., Трухин В.М., группа экспериментаторов Т-10, группа гиротронного комплекса Т-10

Институт Ядерного Синтеза РНЦ “Курчатовский Институт”, Москва, Россия

   Изучение возможности получения внутреннего транспортного барьера (ВТБ) было одной из основных задач в экспериментальной кампании 1997 года на Т-10.
   В Т-10 поведение плазмы определяется электронным транспортом, ионная компонента не оказывает существенного влияния на удержание плазмы. Как было показано на ряде установок (TFTR, DIII-D и др.), для получения ВТБ необходимо создать немонотонный (или, по крайней мере, плоский) профиль полного тока плазмы j(r) с наличием области обратного шира s<0 в центре шнура. На Т-10 такой профиль тока создавался с помощью электронно-циклотронной генерации тока (ECCD) в направлении, противоположном исходному омическому току плазмы.
   Предварительные расчеты, проведенные по транспортной модели [1] с использованием кода TORAY [2] для расчета профиля генерируемого тока показали:

1.  возможно создание немонотонного профиля q(r) с обратным широм в широком диапазоне q_min (от 1.3 до 3 в типичных для Т-10 экспериментальных условиях);
2. ширина области обратного шира не превышает 10 см, т.е. ~30% от радиуса лимитера.
3. диапазон существования профилей q(r) с областью s<0 достаточно узкий по величине тороидального магнитного поля B_T: B_T=B_on±0.7 кГс. B_on- величина магнитного поля,соответствующая генерации тока по центру шнура. При отсутствии смещения шнура B_T=24 кГс.

        Получены следующие результаты.

1. Поведение плазмы хорошо согласуется с результатами расчета профилей генерируемого ЭЦ-тока и полного тока плазмы.
2. В режимах с током плазмы 150 кА (q_min~1.3) и вводимой СВЧ-мощностью 0.75 МВт какие-либо особенности, связанные с образованием ВТБ, не наблюдаются.
3. При уменьшении тока плазмы до 100 кА (приближение к q_min=2) при той же СВЧ-мощности наблюдается резкое ухудшение удержания плазмы в центральной области шнура с уменьшением центральной температуры T_e(0) примерно на 30%. Спад T_e представляет собой последовательность резких срывов, вызываемых внутренней МГД активностью плазменного шнура.
4. Увеличение мощности и уменьшение тока плазмы приводит к тому, что после фазы с сильной МГД-активностью наблюдается резкий рост (восстановление) T_e(0) с выходом на стационарный уровень. Но ни в одном из режимов величина T_e(0) после восстановления не превысила значений T_e(0) в аналогичных режимах с плоскими профилями q(r ).

   [1]. Днестровский Ю.Н., Есипчук Ю.В., Кирнева Н.А., Лысенко С.Е., Тарасян К.Н., Черкасов С.В. Физика плазмы, 1997, т. 23, стр. 614.
   [2]. Cohen R.H., Phys. Fluids, 1988, v. 31, p.421.

РАСЧЕТЫ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОГО ТОКА В ТОКАМАКЕ: СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ

Мартынов А.А., Есипчук Ю.В., Кирнева Н.А., Трухин В.М.
Институт Ядерного Синтеза, РНЦ "Курчатовский Институт"

   Нелинейные эффекты при взаимодействии СВЧ-излучения с плазмой на гармониках ЭЦР могут существенно влиять на эффективность генерации неиндукционного тока.
Основные характеристики нелинейных эффектов при генерации ЭЦ-тока (расчеты по фоккер-планковскому коду CQL3D [1]):

1. При малых тороидальных углах ввода СВЧ-мощности возможно нелинейное насыщение, при котором увеличение мощности уже не приводит к существенным изменениям функции распределения и росту неиндукционного тока.
2. При увеличении тороидального угла ввода СВЧ-мощности j резонансный эллипс в области поглощения сдвигается в область высоких энергий и образуется избыток электронов с высокими энергиями (более 150-200 кэВ при j>20°). С ростом j искажения функции распределения происходят при все больших энергиях. С образованием значительного количества высокоэнергетичных электронов связаны чрезвычайно высокие величины эффективности генерации ЭЦ-тока, получаемые при расчетах по коду CQL3D, а также высокая чувствительность величины рассчитанного  неиндукционного тока к остаточному электрическому полю.
3. При больших тороидальных углах ввода СВЧ-мощности сильные искажения функции распределения электронов в области высоких энергий приводят к искажениям спектра рентгеновского излучения, уровень которого существенно превышает уровень теплового излучения невозмущенной плазмы при энергиях фотонов > 70-100 кэВ.

1. Нецентральное поглощение СВЧ-мощности достигается путем изменения полоидального угла, при этом зона поглощения СВЧ-мощности смещается в вертикальном направлении при почти неизменном большом радиусе;
2. Для упрощения получения нецентрального поглощения СВЧ-мощности ввод мощности в токамак поднят на 1.2 м над экваториальной плоскостью установки.
3. Для получения требуемого профиля ЭЦ-тока гиротроны разбиваются на несколько групп, отличающихся полоидальным углом ввода мощности.

   [1] R.W. Harvey, M.G. McCoy, General Atomics Report GA-A20978, 1992

First EC-heating Experiment on T-15

Merezhkin V.G.
NFI, RRC “Kurchatov Institute”, 123182 Moscow, RF
 

    The first ECH experiment on T-15 has been run in 1995 at low magnetic field, low plasma current and low plasma density: B_T = 1.5 T, I_p = 265 kA,  ~ 1.5ґ10¹³ cm^-3 [1]. At not optimal condition for the high frequency (83 GHz) RF heating in this experiment (ECH on second harmonic at main power in ordinary mode), the balk electrons can absorb only ~ 50 % of total RF-power, 0.8-0.9 MW, delivered by ECH-system in vacuum chamber. In additional, due to not exact focusing of microwave beams from three gyrotrons, the power deposition profile could be flat: r_heat = 20-30 cm at a_L = 65 cm. Nevertheless, EC-heating significantly changed the average electron temperature and plasma conductivity during RF pulse when the total heating power was raised by a factor of 1.5 from OH value (~ 0.4 MW) in steady-state discharge. In 4 discharges with shot ECH pulse (0.1s), the loop voltage typically decreased from ~1.3 V down to ~ 0.5-0.6 V. (Fig. 1.) The electron density profile measurements [2] have shown a noticeable in-out asymmetry in this profile in the torus medium plan. Such asymmetry rises with the distance from plasma edge (1-r) and reaches the value D_o ~ 0.16-0.18 a_L. (Fig. 2 b.)

    T-11 transport model has been used for numerical simulation of the local plasma parameters in the T-15 low-power ECH discharges. It was found that the modeling results with Spitzer resistivity, neoclassical ion conductivity and T-11 electron transport coefficients can reproduce the loop voltage oscillograms in OH and ECH discharges at high Z_eff only (~5-6). During the ECH with P_ECH = 0.4 MW and r_heat = 20 cm, bp increases to 0.75 and T_e (0) increases to ~ 3 keV. A rather peaked density profile can be hold by Ware pinch due to high Z_eff and high electric field within the plasma. The calculated Shafranov shift of magnetic surfaces reaches the D_o /a_L value of 0.15 during ECH pulse.

   1.  MEREZHKIN V.G., et al.,. XXIV Zvenigorod Conference, Zvenigorod, RF, 17-23 February 1997.
   2.  GORBUNOV E.P., et al., 9th Nat. Topical Conf. on High-Temp. Plasma Diagnostics, St. Petersburg, RF, 1997.

ИОННЫЙ БЕРНШТЕЙНОВСКИЙ НАГРЕВ "БЕСТОКОВОЙ" ПЛАЗМЫ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М.

А.И.Мещеряков, С.Е.Гребенщиков, И.С.Сбитникова.
Институт общей физики АН РФ, Москва

   В стеллараторе Л-2М проведены эксперименты по нагреву "бестоковой" плазмы с помощью  ионных бернштейновских волн (ИБВ) на основной частоте ионного циклотронного резонанса w = w_ci (F=20,5 кГц). Водородная плазма создавалась с помощью СВЧ излучения на частоте второй гармоники электронного циклотронного резонанса (F=75 ГГц, Р_СВЧ=350 кВт). Резонансные магнитные поля для этих частот примерно равны (B_ce=1.34 T, B_ci=1.32 T), это позволило совместить эти два метода нагрева в одном импульсе. Для возбуждения в плазме ионной Бернштейновской волны использовалась продольная антенна. В разрядах с плотностью плазмы n_e=0.7Ч10¹⁹м^-3 и начальной температурой электронов T_e=0.75 кэВ, ионов T_i=60 эВ, был зафиксирован нагрев ионов плазмы во время ИБВ импульса на величину DT_i=40 эВ. Спектры ионов во время импульса нагрева всегда оставались максвелловскими. Поглощаемая в плазме ИБВ мощность не превышала P_ИБВ=20 кВт и ограничивалась слабой связью антенны с плазмой. Было обнаружено, что величина сопротивления излучения антенны не зависит от величины магнитного поля (при изменении магнитного поля от 0.8 до 1.4 Т) и остается равной примерно R_load=0.2 W как в омическом так и в "бестоковом" режимах работы установки. Эффективность нагрева, в "бестоковой" плазме, приведенная к плотности n_e=1Ч10¹⁹м^-3, составила величину h_i=1.4ЧэВ/кВт. Эта величина сравнима с эффективностью нагрева с помощью быстрых магнитозвуковых волн (БМЗВ), проводимых ранее на стеллараторе Л-2.
   В рамках модели однородных плоских слоев, были выполнены расчеты квадрата поперечного волнового вектора в зависимости от радиуса плазмы. Радиальные зависимости параметров плазмы n_e(r), T_e(r), T_i(r), B₀(r), соответствуют экспериментально измеренным в режиме "бестоковой" плазмы. Эти расчеты показали, что в указанном выше режиме в плазме на всем интервале от стенки камеры до центра могут существовать ИБВ.
   Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке  Российского фонда фундаментальных исследований  ( проект N 96-02-18089а ).

ДОСТИЖЕНИЯ И КРИЗИСНЫЕ ТОЧКИ РАЗВИТИЯ КОНЦЕПЦИИ ТОКАМАКА-РЕАКТОРА (по мотивам обсуждения ITER PHYS. BASIS)

С. В. Мирнов
ТРИНИТИ, 142092 Троицк, Московская обл., Россия

   В ноябре 1997г.  Физическому комитету ИТЭРа  была представлена на обсуждение расширенная версия заключительного физического документа Проекта - ITER PHYSICAL BASIS- составленная экспертами и членами об’единенной команды ИТЭРа.
   Автор сообщения, являясь председателем экспертной группы “ Срывы, плазменный контроль, МГД-явления”  намерен обсудить наиболее критические, с его точки зрения,  физические ограничения концепции ИТЭР , вытекающие из результатов сегодняшнего эксперимента:

1. Ограничения по бета.
2. Ограничения по плотности.
3. Стратегию действия по отношению к большому срыву.
4. Проблему загрязнения плазмы примесями.

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ  МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СО₂-  ЛАЗЕРОВ В РЕАКТОРАХ - ТОКАМАКАХ

Н.Демченко*, А.Настоящий**, С.Путвинский***, А.Хассанейн****
       *) Физический ин-т РАН, Москва
     **) ГНЦ "Троицкий ин-т инновационных и термоядерных исследований",   г.Троицк Московской области
   ***) Physics Design Integration Group, San Diego ITER Co-Center, San Diego, USA
 ****) Argonne National Laboratory, IL, USA

    Рассматриваются возможности применения мощных длинноволновых СО₂-лазеров в крупных установках с магнитным удержанием типа токамак (стелларатор) -реактор.
    Показано, что с помощью СО₂-лазеров умеренной мощности < 2 ГВт/см² можно разгонять крупинки из замороженного водорода до скоростей порядка 100 км/с и выше, что позволяет решить задачуу поддержания нерпрерывного термоядерного горения в реакторе  типа ИТЕР.
    Обсуждается использование СО₂-лазеров для организации инжекции киллер-пеллет с целью гашения процесса термоядерного горения в реакторе и предотвращения разрушающего воздействия на первую стенку горячих плазменных потоков, возникающих при неустойчивости срыва.
    Проанализирована возможность моделирования явлений, происходящих при взаимодействии горячих плазменных потоков, на основе мощных СО₂ - лазеров.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СВЕРХТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОМ НАГРЕВЕ ПЛАЗМЫ В ТОКАМАКЕ Т-10 В РЕЖИМЕ С НЕУСТОЙЧИВОСТЯМИ ПО q =3.

Позняк В.И., Вершков В.А., Калупин Д.В., Кирнева Н.А., Мялтон Т.Б., Питерский В.В., Плоскирев Е.Г., Храменков А.В., Шелухин Д.А.

Российский Научный Центр “Курчатовский Институт”, Институт Ядерного Синтеза, Москва, Российская Федерация

       На токамаке Т-10 проводились исследования характеристик “горячих” электронов в омической стадии (B_z ~ 2,5 T, n_e ~ 1ё2*10¹³см^-3, I_z ~ 250ё300 кА, q_L ~ 3) и при косом ЭЦН (Р_ЭЦН ~ 700 кВт, f = 140 ГГц). Выполнялся анализ спектров излучения плазмы на I ЭЦР (f ~ 40ё90 ГГц, О-мода), на II ЭЦР (f ~ 100ё170 ГГц, Х-мода),  в диапазоне замагниченных ленгмюровских колебаний (f ~ 0,4ё18 ГГц), в SXR-области (2ё50 кэВ) и в HXR-диапазоне (50ё1000 кэВ). Одновременные измерения ЭЦИ на I и II резонансах позволили помимо оценки полной энергии компонент надтепловых электронов определить соотношение поперечной и продольной энергий. Можно выделить три типа быстрых электронов. Первые (энергия максимума в их спектре ~ 400 кэВ) рождаются на начальной стадии разряда и релаксируют до меньших энергий в первом акте ELM-подобной неустойчивости. При ЭЦН подобные электроны возникают лишь при существенно низкой плотности плазмы. Вторая группа электронов (характеристическая продольная энергия ~ 50 кэВ при пренебрежимо малой поперечной), также ускоряемая вихревым полем, существует до окончания разряда и существенно определяет динамику глобальных неустойчивостей. Третья группа электронов с подобными параметрами возникает как результат нагрева центральной плазмы мощным ЭЦ-излучением, при этом непосредственно с ним в резонансе не находится. Радиационная температура излучения этой группы в десятки раз превосходит таковую для первичного потока надтепловых электронов и  может значительно превосходить центральную электронную температуру при ЭЦН.  Относительная доля надтепловых электронов всех типов существенно нарастает к периферии плазмы и при ЭЦН, по-видимому, имеет максимум непосредственно вблизи лимитера. Анализ спектра ленгмюровских флуктуаций и его динамики в омической фазе и при ЭЦН дает основание полагать эти флуктуации важнейшим фактором в транспортных процессах в токамаке в том числе в развитии кинетических неустойчивостей электронной компоненты и, как результат, возбуждении макронеустойчивостей. Ряд особенностей указывает на возможность существования в плазме одновременно нескольких высокочастотных пространственных мод потенциальных колебаний. Обнаружено определенное соответствие спектра колебаний и энергетического спектра быстрых электронов. Так, при ЭЦН интенсивность колебаний многократно нарастает в высокочастотной области спектра флуктуаций. Изменение интенсивности в этой области, включая ряд деталей, уверенно коррелирует с изменением интенсивности ЭЦИ сверхтепловой компоненты. Определенное соответствие динамики ЭЦИ, плазменных шумов и спектральных линий атомов позволяет полагать существенной роль атомных процессов в придиафрагменной области в стабилизации неустойчивостей ELM-типа. Рассматривается роль устойчивого при ЭЦН периферийного электронного пучка в формировании магнитного барьера и влиянии его на удержание энергии и частиц в плазме.

ПОВЕДЕНИЕ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ОМИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ ПЛАЗМЫ, НИЖНЕГИБРИДНОМ УВЛЕЧЕНИИ ТОКА И НАГРЕВЕ ИОНОВ В ТОКАМАКЕ ФТ-2

Рождественский В.В., Будников В.Н., Дьяченко В.В., Есипов Л.А., Итс Е.Р., Киптилый В.Г., Крикунов С.В., Лашкул С.И., Подушникова К.А., Фефелов С.А., Шевелев А.Е., Ярошевич С.П.

ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, г.С.-Петербург, Россия

    Представлены результаты исследования поведения ускоренных электронов при ОН, нижнегибридном увлечении тока и нагреве ионов в токамаке ФТ-2, полученные с помощью  комбинированной диагностики. Диагностика основана на одновременной регистрации мощности синхротронного СВЧ-излучения, Рси, в диапазоне частот fce-2fce, нетеплового коллективного СВЧ-излучения, Рки, в диапазоне плазменных частот fp-2fp, а также интенсивности и спектра жесткого рентгеновского излучения, Iжри, Iжри(Wg).
    Показано, что поведение Рси,ки и Iжри, а также максимальной энергии электронов, Wem, выходящих на стенку и диафрагму разрядной камеры в течение ОН типично для плазмы с пучком ускоренных электронов. При Neо<3ґ10¹³ cm^-3 пучок непрерывно раскачивает "веерную" неустойчивость. Этому способствует, повидимому, значительная, до 10%, гофрировка Вт и неоднородность Ne(r). Электроны замедленной плотной компоненты относительно быстро, за 3 мс, выходят на стенку камеры с энергией близкой удвоенному пороговому значению для раскачки "веерной" неустойчивости. Когда Neо=2ґ10¹³ cm^-3, Wem увеличивается с ростом Ne в течение разряда до 2 МэВ при практически постоянной скорости набора энергии убегающими электронами, dWem/dt.
    При Neо>3ґ10¹³ cm^-3 происходит увеличение dWem/dt в 1.8, а на 20 мс разряда - еще в 1.7 раза одновременно со значительным уменьшением Рси,ки. Это свидетельствует о стабилизации "веерной" неустойчивости. Убегающие электроны свободно ускоряются до энергии WemЈ10 МэВ. Обнаружено, что в плазме с таким пучком возникает интенсивное нетепловое СВЧ-излучение на частотах fp-2fp, мощность которого слабо зависит от Ne. При Neо=4ґ10¹³ cm^-3 это излучение не связано с нелинейной трансформацией плазменных волн, возбужденных пучком, в электромагнитные и, видимо, является электромагнитной компоненой плазменных шумов, усиленной до насыщения релятивистским пучком при движении в пространственно-неоднородном Вт со значительной гофрировкой.
    Нижнегибридная ВЧ-накачка инициирует увлечение тока при Neо<3ґ10¹³ cm^-3, когда ВЧ-мощность частично поглощается ускоренными электронами. Локализация и ширина области поглощения оценивается по задержке начала и окончания вспышки Iжри относително ВЧ-импульса. Показано, что при Neo=2ґ10¹³ cm^-3 такое поглощение способствует не только увлечению тока, но и росту интенсивности плазменных волн, вызывающему дополнительные потери электронов замедленной компоненты пучка. В этом случае dWem/dt меняется слабо. При Neo>3ґ10¹³ cm^-3 увлечение тока прекращается. Появляются нетепловые электроны и быстрые ионы. Из-за периферийного поглощения волны накачки пучок снова возбуждает плазменные волны, но меньшей интенсивности. Поэтому время жизни электронов замедленной компоненты увеличивается до 3 мс, хотя Wem/dt становится меньше, чем при ОН. При Neo=4ґ10¹³ cm^-3 происходит только нижнегибридный нагрев ионов. Когда волна накачки поглощается вблизи диафрагмы, воздействие ВЧ-мощности на пучок ускоренных электронов оказывается незначительным.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОРОГОВ ДЕСТАБИЛИЗАЦИИ ЗАПЕРТЫХ МОД ОТ СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ПЛАЗМЕННОЙ КОНФИГУРАЦИИ ТИПА ITER.

Саврухин П.В.

Институт Ядерного Синтеза, РНЦ “Курчатовский Институт”, 123182, Москва, Россия

    Первоначальные эксперименты на токамаке JET с внешними винтовыми магнитными полями [1] продемонстрировали существенное повышение порогов дестабилизации запертых МГД возмущений в плазме с одно-нулевым откачным дивертором по сравнению с плазмой ограниченной лимитером. Повышение порогов дестабилизации может существенно упростить проблему запертых мод в плазме крупномасштабных токамаков и резко снизить требования к точности сборки магнитной конфигурации в токамаке реакторе ITER. Анализ экспериментальных данных JET показывает, что повышение порогов возбуждения неустойчивостей может быть связано с пониженным содержанием примесей в экспериментах с откачным дивертором. В докладе приводятся результаты численного моделирования физических процессов, сопровождающих развитие запертых винтовых мод в токамаке JET в режимах с принудительным возбуждением мод (эксперименты с седловыми обмотками) и при естественной остановке крупномасштабных МГД возмущений. Особое внимание уделяется исследованию зависимости порогов дестабилизации запертых мод от состава примесей. Анализ результатов моделирования показывает, что оборудование радиационного дивертора в токамаке ITER может потребовать специальной разработки методик компенсации рассеянных полей и предотвращения запертых мод. В докладе рассматривается сценарий возможных экспериментов на токамаке Т-15 по исследованию запертых мод и по оптимизации методов стабилизации неустойчивости.

   1.  Savrukhin,P.V., et al, in Proc. of 23^rd EPS Conf. On Controlled Fusion and Plasma Physics, Kiev, 1996, Vol.20C, P.I, p187

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ДЕЙТЕРИИ-ТРИТИЕВОЙ ПЛАЗМЕ КРУПНОГО ТОКАМАКА

Саврухин П.В., Семенов И.Б.

Институт Ядерного Синтеза, РНЦ “Курчатовский Институт”, 123182, Москва, Россия

    Приводятся результаты феноменологического анализа разнообразных внутренних релаксационных процессов в высокотемпературной плазме токамака TFTR. Показано, что развитие различных механизмов релаксаций зависит от равновесных профилей плотности тока и давления плазмы, от микро-эффектов в узком резистивном слое вблизи резонансной поверхности q=1 и, в ряде режимов, определяется нелинейным зацеплением внутренней моды m=1, n=1 с внешними МГД возмущениями. Зацепление различных гармоник внутренних МГД мод характеризуется неоднородностью возмущений по объему плазмы с существенным усилением возмущений на внешнем обходе тора. Такое развитие возмущений качественно согласуется с моделью трехмерного перезамыкания магнитных силовых линий. В работе особое внимание уделяется сравнению релаксационных процессов в дейтериевой и дейтерий-тритиевой плазме и в плазменных разрядах с различным аспектным отношением. Полученные экспериментальные зависимости используются для предсказания релаксационных процессов в токамаке-реакторе ITER и в сферических торах (NSTX). Приводится анализ применимости методики измерения угла наклона магнитных силовых линий на основе диагностики эффекта Штарка (Motional Stark Effect) для анализа внутренних релаксационных процессов. Разработаны рекомендации по усовершенствованию алгоритмов обработки экспериментальных данных для повышения точности измерений внутренней структуры магнитных поверхностей.
 

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ КАРТОГРАФИЯ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ ВИНТОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ

Саврухин П.В., Цаун С.В., Грашин С.В., Кислов Д.А., Сушков А.В., Химченко Л.Н.

Институт Ядерного Синтеза, РНЦ “Курчатовский Институт”, 123182,Москва,Россия

    Система томографического анализа мягкого рентгеновского излучения из плазмы Т-10 (камеры-обскуры КО) играет ключевую роль в экспериментальных исследованиях крупномасштабных МГД возмущений, широко используется при анализе процессов динамического теплопереноса и условий поглощения СВЧ мощности, и является основной диагностикой для определения положения и формы плазменного шнура. Системы КО обеспечивают оптимальный анализ длинноволновых возмущений плазмы с винтовыми числами m<3. Несмотря на то, что многочисленные эксперименты показали определяющую роль таких мод в развитии наиболее опасных крупномасштабных МГД возмущений плазмы (пилообразные колебания, малый и большой срывы), физические механизмы развития неустойчивостей все еще не имеют однозначного объяснения. Более того, первоначальные эксперименты показывают, что развитие крупномасштабных возмущений часто сопровождается вспышками высокочастотных колебаний магнитного поля, приписываемых дестабилизации мелкомасштабных тиринг мод с волновыми числами m<10-20. Для идентификации мелкомасштабных тиринг мод в плазме Т-10 предлагается оборудование системы регистрации мягкого рентгеновского излучения в тороидальном направлении (ТКО). Обработка данных измерений ТКО совместно с системой томографических измерений КО, магнитными зондами и детектированием ЭЦ излучения позволит воссоздать топологическую структуру мелкомасштабных возмущений плазмы и определить роль таких возмущений в процессе развития срыва в токамаке.
    В докладе приводятся результаты анализа экспериментальных особенностей проявления мелкомасштабных возмущений плазмы в экспериментах на установках токамак, рассматриваются возможные механизмы дестабилизации неустойчивостей в плазме токамаков Т-10 и Т-15 и приводятся результаты расчета тороидальной камеры обскуры для регистрации мелкомасштабных возмущений в плазме токамака.

НОРМАЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ПЛАЗМЫ.

Сковорода А.А.

ИЯС РНЦ Курчатовский институт, Москва, Россия

    Магнитные ловушки, которые не имеют островов изолиний модуля магнитного поля В на равновесных магнитных поверхностях r, называются нормальными [1], [2]. Симметричные, квазисимметричные и изометрические магнитные системы есть частные случаи нормальных ловушек. Необходимым и достаточным условием нормальности магнитной системы является ограниченность магнитного  отношения . Это означает, что выполняется условие изодинамичности B=B(r) на экстремальных поверхностях BСB =0. При дополнительном требовании изометричности BСB=C(r,B) только на отдельных рациональных поверхностях в магнитных системах с широм устраняется сингулярность плазменного тока, приводящая к появлению островной структуры магнитных поверхностей. Возле магнитной оси нормальная ловушка может быть либо типа “плавный тор”, когда изолинии модуля поля на магнитных поверхностях охватывают главную ось, либо  типа “гофрированный тор”, когда изолинии В охватывают магнитную ось.

   Литература.
   1. Сковорода А.А., Шафранов В.Д.  Физика плазмы. 1995. T.21. C.937.
   2. Михайлов М.И., Шафранов В.Д., Зюндер Д. публикуется в Физике плазмы, 1998

СОЗДАНИЕ ПЛАЗМЫ В НЕЙТРАЛИЗАТОРЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ ВОДОРОДА ПН-3 С ПОМОЩЬЮ МИКРОВОЛНОВОГО ЭЦР РАЗРЯДА

Жильцов В.А., Косарев П.М., Кулыгин В.М., *Мехедькин А.А., Платонов В.В., Сковорода А.А., Ухов В.П.

ИЯС РНЦ Курчатовский институт, Москва, Россия
* Московский радиотехнический институт, Москва, Россия

    Приводятся результаты первых экспериментов по созданию плазмы в физической модели плазменного нейтрализатора мощных пучков отрицательных ионов для инжектора ИТЭР.
    Плазма создавалась в мультипольной магнитной ловушке при вводе микроволновой (частота 7 ГГц) мощности (10 кВт) в условиях электронного циклотронного резонанса на периферии плазмы. В режиме одиночных (длительность 5 мс) импульсов при давлении водорода 0.7Ч10^-4 мм рт.ст. в объеме 0.7 м³ была получена плазма с плотностью ~10¹¹ см^-3.  На рисунке показан общий вид установки ПН-3 с выдвинутой из вакуумной камеры магнитной системой.