«ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ» МАГНИТНЫЕ ОСТРОВА - КАК ФОРМА МАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ В УСЛОВИЯХ МАЛОГО ШИРА В ТОКАМАКАХ

С.В.Мирнов

ТРИНИТИ. Троицк, Моск. обл., 142092, РФ.

    Обсуждается природа возникновения «положительных» магнитных островов. Подчеркивается то обстоятельство, что область их существования располагается в зонах шнура с малым магнитным широм. Обсуждаются наблюдаемые проявления этого вида магнитной активности: внутренний срыв (TFTR), МГД-активность в области оптимального шира (JET), срыв в режиме с отрицательным широм (TFTR).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ВИНТОВОЙ СИММЕТРИИ МАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В СРЫВЕ НА Т-11М

А.М.Белов, И.Н. Макашин, С.В. Мирнов, И.Б. Семенов

ТРИНИТИ, Троицк, Моск. обл.,142092, РФ.

    Исследуется обнаруженное ранее явление - разрушение винтовой симметрии магнитных возмущений при развитии срыва. Анализируется серия срывов, происходящих в различных условиях разряда: при нарушении предельного тока, плотности, при развитии запертой моды.
    Совокупность полученных данных позволят заключить, что в ходе срыва в токамаках разрушение магнитной структуры происходит локально вдоль тора. Это может усложнить работу защитных диафрагм токамака-реактора.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОДДЕРЖАНИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПЛАЗМЫ В ГДЛ ИНЖЕКЦИЕЙ ХОЛОДНОГО ГАЗА.

Багрянский П.А., Карпушов А.Н., Корепанов С.А., Лизунов А.А., Сауничев К.Н^*.

ИЯФ СО РАН, Новосибирск, Россия
^*Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия

    Основной задачей экспериментов, проводимых на установке ГДЛ [1], является исследование различных аспектов физики удержания плазмы, интересных с точки зрения проекта источника нейтронов с энергиями 14 МэВ, предложенного в ИЯФ им. Г.И.Будкера. Плазма в ГДЛ состоит из двух компонент: «мишенной плазмы» с относительно низкой температурой и быстрых ионов с энергиями 10-15 кэВ, образующихся в результате атомарной инжекции из шести инжекторов СТАРТ-3 [1]. В эксперименте необходимо поддерживать материальный баланс плазмы в течение импульса инжекции (длит. 1.2 мс), т.к. время жизни вещества составляет всего ~600 мкс. Традиционным методом «подпитки» является инжекция плазмы на ось установки при помощи источника плазмы [1]. Однако, такой метод не лишен недостатков, из которых можно выделить основные: существенное ухудшение вакуумных условий в расширителе, где установлен источник плазмы; значительные потери энергии из плазмы на работающий источник; большая мощность, потребляемая источником плазмы.
Представляемая работа посвящена исследованию возможности поддержания материального баланса плазмы в ГДЛ при помощи инжекции холодного газа на периферии при помощи устройства «gas-box» [4]. Параметры плазмы измерялись при помощи специального набора диагностик [2]. Для сравнения с полученными в эксперименте данными энергетического баланса плазмы использовались модельные вычисления функции распределения быстрых ионов и параметров нагрева «мишенной» плазмы по методу Монте-Карло [3].
Полученные данные указывают, что профиль плотности плазмы, формирующийся при инжекции холодного газа, имеет максимум на оси. Температура плазмы в эксперименте составляла ~100 эВ, плотность ~5Ч10¹³ см^-3. МГД-устойчивость плазмы обеспечивалась антипробкотроном; выключение источника плазмы не приводило к ее заметному ухудшению. Результаты измерений мощности перезарядки свидетельствуют, что инжекция холодного газа в плазму не приводила к ухудшению вакуумных условий в центральной ячейке ГДЛ.

    Литература

1. Bagryansky P.A. e.a.«First experiments on gas-dynamic trap», Proc. of. the XI Intern. Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. (13-20 Nov. 1986, Kyoto), Vienna: IAEA, 1987, Vol.3, P.467
2. П.А. Багрянский и др. «Диагностический комплекс установки ГДЛ для изучения нагрева плазмы при инжекции мощных атомарных пучков«, Новосибирск, 1993, (Препринт/Ин-т ядер физики им. Г.И. Будкера СО РАН; 93-70).
3. Карпушов А.Н. «Энергетический баланс плазмы в Газодинамической ловушке при инжекции атомарных пучков», Дисс.... канд. физ.-мат. наук, Новосибирск, 1997.
4. Сауничев К.Н. «Поддержание материального баланса плазмы в ГДЛ инжекцией холодного газа», Квал. работа ... магистра, Новосибирск, 1998.

ФОРМИРОВАНИЕ ПОТОКА БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ПЛАЗМЕ ОТКРЫТОЙ ЛОВУШКИ АМБАЛ-М

С. Ю. Таскаев

Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия

    В концевом пробкотроне установки АМБАЛ-М при использовании торцевого газоразрядного источника плазмы получена горячая мишенная плазма [1] и экспериментально обнаружен значительный продольный электронный ток, текущий в плазме от источника до плазмоприёмника [2].
    В данной работе изучается течение продольного электронного тока в области перед входной пробкой. Особенность этой области состоит в том, что вдоль силовых линий магнитного поля, по которым течёт ток, продольное электрическое поле направлено от пробки [3]. Это направление электрического поля противоположно направлению поля при формировании термобарьера.
    В работе рассматриваются различные модели описания плазмы (двужидкостная гидродинамика, уравнение Власова, уравнение Фокера-Планка) и определяется область их применения. Рассматриваются процесс убегания электронов и возможности развития различного рода неустойчивостей. Приводятся результаты экспериментального измерения функции распределения электронов в пробкотроне тонким ленгмюровским зондом и зондом с малым входным отверстием и электростатическим запирающим электродом [4].
    Показано, что протекание значительного электронного тока в области ускоряющего электроны электрического поля приводит к формированию потока быстрых электронов, которые переносят ток.

    Литература.

1. Ахметов Т. Д., Белкин В. С., Бендер Е. Д. и др. Физика плазмы 23 (1997) 988.
2. Ахметов Т. Д., Давыденко В. И., Кабанцев А. А. и др. Физика плазмы 24 (1998) Вып. 11.
3. Таскаев С. Ю. Препринт 95-92, Новосибирск, ИЯФ СО РАН, 1995.
4. Ахметов Т. Д., Давыденко В. И., Таскаев С. Ю. Тезисы XXVI Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1999.

FAST ELECTRON FLOW FORMATION IN A PLASMA OF THE AMBAL-M OPEN TRAP

S. Yu. Taskaev

Budker Institute of Nuclear Physics avenue Lavrent’ev 11, 630090 Novosibirsk, Russia
taskaev@inp.nsk.su

    Hot target plasma was obtained in an open trap AMBAL-M from arc source located behind the mirror [1]. Previously longitudinal electron current flowing in a plasma from arc source into the mirror was found [2].
    In this paper, longitudinal electron current in a region before input throat is considered. Peculiarity of this region is that the plasma potential increases when coming closer to the mirror [3]. Various models (two-fluid magnetohydrodynamics, Vlasov's equation, simplified Fokker-Plank equation), electron runaway and development of instability have been considered in detail. Experimental results of measurements of electron energy distribution function in the mirror by Langmuir probe and by probe with small inlet and electrostatic repelled lens [4] are presented.
    It is shown that longitudinal electron current in the region of electric field accelerating the electrons leads to formation of a fast electron flow transporting the current in the mirror.

    References

1. T. D. Akhmetov et al. Plasma Phys. Reports 23 (1997) 911. [abstract]
2. T. D. Akhmetov et al. Plasma Phys. Reports 24 (1998) 995. [abstract]
3. S. Yu. Taskaev. Preprint BINP 95-92. Novosibirsk. BINP. 1995. [Full text, in Russian]
4. T. D. Akhmetov, V. I. Davidenko, S. Yu. Taskaev. XXVI Zvenigorod Conference. 1999.

Эволюция плазмы в токамаке с учетом вязкости.

Сперанский Н.Н.

Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Троицк Московской обл. Россия

    Для равновесной тороидальной плазмы токамака, при учете столкновений и вязкости электронов и ионов, получена скорость движения плазмы вдоль малого радиуса

где использованы общепринятые обозначения, I=RB_x , R - большой радиус, B_x - тороидальное поле, s_^ - проводимость поперек силовых линий, h_e - коэффициент электронной вязкости, штрих - производная по малому радиусу. В (1) первое слагаемое обязанно диффузии Пфирша - Шлютера для токамаков [1] . Второе слагаемое было ранее не известно. Оно обязано классической вязкости плазмы [2].
    Формула (1) была получена в [3], в приближении малой тороидальности, когда магнитные поверхности полагаются круглыми. Для этого, из проекции уравнения движения электронов на магнитное поле был найден электрический потенциал, который отвечает за дрейф плазмы поперек магнитных поверхностей, и который зависит как от проводимости, так и от вязкости электронов. Формула (1) есть средняя скорость электрического дрейфа поперек магнитных поверхностей.
    Второе слагаемое (1) начинает заметно превосходить первое при температуре электронов более 100 э.В. Процесс движения, в результате которого (1) обращается в нуль, можно рассматривать как самоорганизацию плазмы, поскольку равенство нулю (1) является дополнительным условием к уравнению магнитного равновесия.
    Числено рассмотрена задача об эволюции плазмы в состояние равновесия, в котором скорость (1) стремится к нулю.

    Литература.

1. Кадомцев Б.Б. Шафранов В.Д. Д,А,Н, СССР т.167, 1966, с. 1273
2. Брагинский С.И. Вопросы теории плазмы, в.1, 1963, с.183
3. Сперанский Н.Н. Препринт ТРИНИТИ- 0044 - А , 1998.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА С ПОДАВЛЕНИЕМ МГД КОЛЕБАНИЙ ПРИ ИНЖЕКЦИИ ДЕЙТЕРИЕВЫХ ПЕЛЛЕТОВ В ПЛАЗМУ ТОКАМАКА Т-10.

В.В. Волков, Н.В.Иванов, А.М. Какурин, Д.В. Калупин, Н.А. Кирнева, П.Е. Ковров, Т.Б. Мялтон, Ю.Д. Павлов, В.И. Позняк, М.Б. Сафонова, А.В. Сушков, С.А. Шибаев.

ИЯС РНЦ "Курчатовский Институт", Москва, Россия.

    Исследовался обнаруженный ранее на токамаке Т-10 режим с подавлением МГД колебаний при инжекции дейтериевых пеллетов во время дополнительного ЭЦР нагрева плазмы. При подавлении наблюдался рост рентгеновского излучения из центральной области плазмы, что, по-видимому, связано с увеличением электронной температуры. Главное внимание уделено зависимостям МГД возмущений от плотности плазмы, мощности дополнительного нагрева, размеров пеллетов, а также пространственной фазы магнитной островной структуры в момент инжекции пеллета. В работе представлены также зависимости тока на лимитер при инжекции пеллета от параметров плазмы.
    Установлено, что зависимость от мощности нагрева имеет пороговый характер - подавление МГД колебаний наблюдается при мощности нагрева более 400 кВт. Зависимость эффекта подавления от размера пеллета оказалась слабой - этот эффект наблюдался в диапазоне масс пеллета 0.3 - 0.8 от массы плазмы. Воздействие пеллета на МГД колебания не зависело от пространственной фазы моды m=3.

НЕДАВНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСТАНОВКЕ ГОЛ-3-II

Аржанников А.В., Астрелин В.Т., Бобух Е. В., Бурдаков А.В., Заболотский А.Ю., Иванов И.А., Иваненко В.Г., Койдан В.С., Конюхов В.В., Макаров А.Г. Меклер К.И., Мельников П.И., Николаев В.С., Новожилов С.А., Перин С.С., Полосаткин С.В., Поступаев В.В., Ровенских А.Ф., Савчков А.В. Синицкий С.Л..

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

    На установке ГОЛ-3-II электронный пучок (1 МэВ, 30 кА) с энергозапасом до 200 кДж ижектировался в столб плазмы, помещенный в аксиально-симметричное магнитное поле. В ходе экспериментов конфигурания магнитного поля могла меняться. В одном случае использовалась геометрия пробкотрона с магнитным полем в однородной части 4.5 Т, пробочным отношением 2 и участком с пониженным полем в месте инжекции пучка. В других экспериментах в секции длиной 4 метра 12-метрового соленоида было сформировано гофрированное магнитное поле с пробочным отношением 1.5, периодом гофрировки 22 см и максимальным полем 4.8 Т. Профиль плотности плазмы по длине установки варьировался. Изучался нагрев как однородной плазмы, так и плазмы, имеющей неоднородное распределение плотности по длине.
    В диапазоне плотностей 10¹⁵ё3Ч10¹⁵см^-3 происходит эффективный нагрев однородной плазмы за счет коллективных эффектов релаксации пучка и подавления продольных потерь энергии. При плотности плазмы 10¹⁵см^-3 электронная температура достигает величины 2ё3 кэВ, имеются также быстрые электроны. В целом электронная функция распределения является неравновесной. Потоки горячих электронов могут передавать свою энергию плотным (10¹⁶ё10¹⁷см^-3) плазменным сгусткам, формируемым в плазменном столбе. Изучался процесс передачи энергии в плотные сгустки и их динамика в неоднородном магнитном поле.

О ВЛИЯНИИ ЭФФЕКТОВ КОНЕЧНОГО ЛАРМОРОВСКОГО РАДИУСА НА ЖЕЛОБКОВУЮ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ

А.В.Тимофеев

РНЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия

    Желобковая неустойчивость представляет серьезную опасность удержанию плазмы в термоядерных системах. Было установлено (M.N.Rosenbluth et al. 1961) , что все моды неустойчивости кроме наиболее крупномасштабной, т.н. первой моды, стабилизируются эффектами конечного ларморовского радиуса. Условие стабилизации может быть представлено в виде , где угловая частота ларморовского дрейфа, - характерный инкремент желобковый неустойчивости в неустойчивом режиме. Данный результат был получен для гауссовского профиля плотности, при котором . Частота одной из двух ветвей устойчивых колебаний равна . Энергия этих колебаний отрицательна.
    В данной работе отмечается, что если угловая скорость ларморовского дрейфа неоднородна и меняется в достаточно широких пределах, то желобковые колебания могут попасть в резонанс с ларморовским дрейфом. При резонансе их энергия затрачивается на раскачку осцилляций тяжелых ионов. Поскольку энергия колебаний отрицательна, данный процесс должен приводить к неустойчивости. Эти соображения подтверждаются численными расчетами. Для того, чтобы исключить резонансы, а вместе с ними и неустойчивость, должно выполняться условие , где () - некоторая средняя (минимальная) угловая скорость ларморовского дрейфа. Данное условие уточняет условие стабилизации, полученное M.N.Rosenbluth et al., на случай систем с неоднородным распределением скорости ларморовского дрейфа.

МГД УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ В ДЛИННЫХ ОТКРЫТЫХ ЛОВУШКАХ

В.В.Арсенин

РНЦ “Курчатовский институт”, Москва, Россия

    Изучается конвективная устойчивость плазмы в осесимметричной открытой ловушке с гофрированным магнитным полем в случае, когда число гофров достаточно велико, чтобы устойчивость определялась кривизной поля именно в гофрах, а не в пробках. Геометрия поля в пробках влияет на устойчивость не непосредственно через кривизну силовых линий, а через зависимость распределения давления от пробочного отношения: p=P(y)P(B/B_m(y )), y - потоковая координата, B_m -поле в пробке. Для случая слабой гофрировки показано, что при наличии непараксиальных пробок, с естественным увеличением поля в горловине с радиусом dB_m/dy>0, безразлично устойчивый (marginal, w ®0 ) радиальный профиль давления является нарастающим ¶(p^+p_||)/¶y>0.
    Вычисления проделаны для двух модельных распределений P(B/B_m). Рассмотрена, в частности, модель, отвечающая обрезанному на конусе потерь максвелловскому распределению в пространстве скоростей, которая допускает при B_m/B₀®Ґ , B₀ - минимальное поле на силовой линии, переход к изотропному распределению. Эта модель позволяет описать устойчивость и амбиполярной системы. В случае, когда радиальный ход запирающего потенциала в затычках (plugs) таков, что в приосевой области продольное удержание ионов в основной ловушке амбиполярное (электростатическое), а на радиальной периферии, у поверхности плазмы, - простое пробочное, безразлично устойчивый профиль давления в приповерхностном слое оказывается спадающим по радиусу.

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ИНЖЕКТОРА АТОМОВ ВОДОРОДА 50 КВ, 1 А, 2 СЕК ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ НА ТОКАМАКЕ TCV.

Г.Ф. Абдрашитов, И.И. Авербух, П.П. Дейчули, А.Н. Драничников, А.А. Иванов, В.А. Капитонов, М.В. Коллегов, В.В. Колмогоров, А.С. Медведко, В.К. Овчар, А.А. Подыминогин, И.В. Шиховцев.

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

    Для спектроскопической диагностики плазмы на токамаке TCV (Лозанна, Швейцария) разработан  инжектор атомарного водородного пучка на основе ионного источника с высокочастотным индукционным разрядом. Инжектор  позволяет получать пучок атомов с энергией до 50кВ, эквивалентным током  до 1А и длительностью им-пульса до 2сек. Пучок формируется четырехэлектродной ионно-оптической системой с круглыми апертурами. Ток пучка может быть модулирован с частотой до 500Гц для улучшения сигнал/шум.
В докладе представлены результаты стендовых испытаний инжектора. Описаны основные диагностики, применявшиеся  для измерения  параметров пучка: энергосо-держания, массового состава и угловой расходимости.

ОПТИМИЗАЦИЯ СТЕЛЛАРАТОРНЫХ СИСТЕМ: ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ

М.Ю. Исаев, А. Купер*, М.И. Михайлов, А.А. Субботин, В.Д. Шафранов

Институт ядерного синтеза, РНЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия
* Исследовательский центр по физике плазмы, Лозанна, Швейцария

    Открытие Нюренбергом и Цилле [1] возможности квазисимметрии активизировало поиск новых стеллараторных систем с улучшенным удержанием плазмы. Выполнение условия квазисимметрии означает, что уравнения дрейфового движения заряженных частиц имеют, как и в симметричных системах, дополнительный интеграл движения. При этом в стеллараторах с винтовым направлением квазисимметрии (т.е. с винтовым направлением линий B=const на магнитных поверхностях) из-за большого вращательного преобразования относительно линий B=const неоклассические переносы оказываются существенно меньше, чем в эквивалентном токамаке.
    Исследованию именно квазисимметричных стеллараторов с небольшим числом периодов уделяется в настоящее время наибольшее внимание. Жесткость ограничений, налагаемых условием квазисимметрии, в частности, невозможноть выполнить его точно во всем объеме, а также отсутствие достаточной свободы в выборе параметров для оптимизации системы по устойчивости, заставляет искать возможности существования более широкого класса стеллараторов с улучшенным, по сравнению с традиционными стеллараторами, неоклассическими переносами, хотя и с большими, чем в квазисимметричных системах. В качестве "ослабленных" условий улучшенного удержания плазмы рассматриваются условия псевдосимметрии [2] и омнигенности [3]. Анализу возможных магнитных конфигураций, удовлетворяющих условию улучшенного удержания плазмы и посвящена данная работа.
    Приводятся результаты численных расчетов с помощью трехмерных кодов VMEC и TERPSICHORE конфигураций, оптимизированных по предельному по устойчивости баллонных мод значению b , приводится спектр квадрата модуля магнитного поля в бузеровских координатах и карта линий B=const на граничной магнитной поверхности для конфигураций с винтовым и полоидальным направлениями линий B=const на магнитных поверхностях.

    Литература

1. Nuehrenberg J., Zille R., Phys. Lett. A 129, 113(1988).
2. Shafranov V.D., Mikhailov M.I., Skovoroda A.A., Subbotin A.A., 1997 Int. Symposium on Plasma Dynamics in Complex Electromagnetic Fields, Institute of Advanced Energy, Kyoto University, Research Report, 1998, 193.
3. Cary J.R., Shasharina S.G., Plasma Phys. Rep., 1997, 23, 509.

О ВЛИЯНИИ МАГНИТНОЙ КОНФИГУРАЦИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ И ЕЕ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М

Д.К.Акулина, Г.М.Батанов, М.С.Бережецкий, Г.А.Гладков,С.Е.Гребенщиков, И.С.Данилкин, Л.М.Коврижных, Л.В.Колик, А.Б.Кузнецов, Н.Ф.Ларионова, К.М.Ликин, Н.И.Малых, А.И.Мещеряков, А.Е.Петров, К.А.Сарксян, И.С.Сбитникова, Н.Н.Скворцова, О.И.Федянин, Н.К.Харчев, Ю.В.Хольнов, С.В.Щепетов

Институт общей физики РАН, 117942 Москва, Россия

    При образовании и нагреве плазмы пучком микроволн на второй гармонике гирочастоты электронов изучено влияние на параметры плазменного шнура и характеристики его турбулентности магнитных конфигураций с магнитным “горбом” и магнитной “ямой”. Расчетным путем показано, что при <b> = 1,5-2.10^-3 возникает конфигурация с магнитной “ямой”, при этом выполняется критерий устойчивости Мерсье для идеальных МГД мод. Показано, что компенсация шафрановского смещения шнура поперечным полем (В_v/B₀ = 5.10^-3) создает конфигурацию с магнитным “горбом”, при которой критерий неустойчивости Мерсье для центральных областей шнура превышен в несколько раз. Экспериментально установлено, что в конфигурациях с магнитным “горбом” энергосодержание плазмы падает в два раза по сравнению с конфигурацией с магнитной “ямой”. При этом возрастает энергия шумов как в центральных областях шнура, так и вблизи сеператрисы, а в спектрах по волновым пакетам усиливаются квазирегулярные составляющие.
    При частичной компенсации шафрановского смещения (В_v/B₀ ~ 3.10^-3) вблизи порога неустойчивости установлено некоторое повышение энергосодержания и центральной температуры элеткронов, а также уменьшение мощности излучения максвелловских “хвостов” быстрых электронов на второй гармонике гирочастоты. Установлено изменение спектров шумов по волновым пакетам и увеличение коэффициента когерентности спектральных составляющих. Обнаружено уменьшение радиального электрического поля вблизи сепаратрисы.

ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ  С ДИАГНОСТИЧЕСКИМ ИНЖЕКТОРОМ RUDI НА ТОКАМАКЕ TEXTOR-90

Г.Ф. Абдрашитов, И.И.Авербух, А.И. Горбовский, В.И Давыденко, П.П. Дейчули, А.Н. Драничников, А.А. Иванов, В.В.Мишагин, А.А.Подминогин, В.Я.Савкин, И.В.Шиховцев,   A. Kreiter^*, M. Sauer^*, W. Shalt^*, B. Schweer^*

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия
^* IPP Forschungszentrum, Juelich, Germany

    Диагностический инжектор RUDI был спроектирован и изготовлен в ИЯФ им. Будкера для спектроскопических экспериментов  на токамаке TEXTOR (Юлих, Германия). Летом 1998 г произведен монтаж,  а в конце 98 г – физический запуск инжектора на TEXTORе.
    Инжектор обеспечивает пучок атомов водорода с энергией 50 кэВ, угловой  расходимостью 0.7 градуса, током в нейтралах  до 1 А и длительностью 4 с. Пучок модулирован: прямоугольные импульсы длительностью 1 мс следует с периодом  2 мс. Для получения тока 1 А в атомах ток в ускоряющей 4-сеточной ионно-оптической системе составляет 2 А. Неперезарядившаяся фракция отклоняется магнитом на охлаждаемый поглотитель.
    Инжекция осуществляется в горизонтальной плоскости установки перпендикулярно оси плазменного шнура. Ионный источник инжектора пристыкован к TEXTORу через буферный объем - цилиндрический вакуумный  танк с двухступенчатой откачкой крионасосами производительностью по  24Ч10³ л/с. В танке  размещены перезарядный тракт, отклоняющий магнит и охлаждаемый приемник ионов.  Расстояние от ионного источника до оси плазмы 4 м, соответственно, сеточная ИОС была спроектирована с таким же фокусным расстоянием.
    Основные результаты физического запуска - “вживление” в систему автоматизации контроля и управления TEXTORа, достижение проектных параметров и первые наблюдения спектральных линий атомарного пучка.

ИОННЫЕ БЕРНШТЕЙНОВСКИЕ ВОЛНЫ В ПЛАЗМЕ СТЕЛЛАРАТОРА Л-2М.

А.И.Мещеряков, С.Е.Гребенщиков, И.С.Сбитникова.

Институт общей физики АН РФ, Москва, Россия

    В стеллараторе Л-2М были проведены эксперименты по нагреву "бестоковой" плазмы с помощью ионных бернштейновских волн (ИБВ) на основной частоте ионного циклотронного резонанса w = w_ci ( B=1.32 T ), и в режиме омического нагрева как на частоте циклотронного резонанса, так и на дробной гармонике w =3/2w_ci [1]. Для возбуждения в плазме ионной Бернштейновской волны использовалась продольная антенна.
    Для того, чтобы оценить возможность распространения ИБВ в плазме стелларатора были выполнены расчеты дисперсионной кривой. Исследовалось дисперсионное уравнение ионных бернштейновских волн в однородной плазме ( k_zфзB₀ ) [2] :

где k_^ , k_z - компоненты волнового вектора, а e_xx, e_xz, e_zz - компоненты тензора диэлектрической проницаемости горячей плазмы [2] . Профили электронной и ионной температуры брались в виде: T_e = T_e0(1-x²)²+T_ke, T_i = T_i0(1-x²)+ T_ki, где x = r/a_p - приведенный радиус плазмы, T_e0 , T_i0 - центральная электронная и ионная температуры, T_ke, T_ki - подставка, которая тянется от камеры до сепаратрисы. Профиль плотности плазмы, особенно на периферии, сильно влияет на решение дисперсионного уравнения, поэтому в расчетах он максимально приближен к измеренному: простая парабола в центральной части до сепаратрисы n_e = n_e0(1-x²), экспоненциальный спад на расстоянии 1 см от сепаратрисы и далее постоянная плотность до стенки камеры на уровне n_ek = 1.5Ч10¹⁵м^-1.
    Продольное волновое число задается длиной антенны k_z = 5 м^-1 и остается таким для каждого радиуса плазмы. В результате решения дисперсионного уравнения вычислялся квадрат поперечного показателя преломления k_^² для каждого радиуса плазмы для w  =3/2w_ci (магнитное поле В = 0.82 Т) и для w  = w_ci ( В=1.29Т ). Всюду внутри камеры от антенны до центра плазмы Re k_^² > 0, то есть волна может распространяться от антенны до центра плазмы. Вне сепаратрисы в области низкой плотности плазмы распространяются электронные плазменные ( косые ленгмюровские ) волны. Вблизи радиуса r = 12 см показатель преломления резко возрастает, здесь происходит конверсия электронной плазменной в ионную бернштейновскую волну. Внутри сепаратрисы, где плотность плазмы становится достаточно высокой, распространяются ИБВ.
    Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований ( проект N 96-02-18089а ).

    Литература

1. С.Е. Гребенщиков и др. Краткие сообщения по физике плазмы. Том 12, с.
2. А.Ф. Александров, Л.С.Богданкевич, А.А.Рухадзе Высшая школа, М1978.

ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА, ОСНОВАННЫЕ НА ИНЖЕКЦИИ МАКРОЧАСТИЦ

Б.В. Кутеев

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

    Инжекция водородных и примесных макрочастиц широко используется в замкнутых магнитных конфигурациях для ввода топлива, диагностики плазмы и контроля горения разряда. Технологии, развитые для токамаков и стеллараторов могут представлять интерес также и для открытых ловушек.
    В докладе обсуждается современное состояние исследований в этой области.
    Исследования ввода топлива проводятся в ORNL (США), СПбГТУ (РФ), NIFS&JAERI (Япония) и IPP&CEA (Европа). Наиболее продвинутые системы разрабатываются в рамках проекта ИТЭР. Задачей является создание системы, позволяющей осуществлять потоки частиц величиной до 100 ПаЧм³/с. Этот поток поступает в установку с частотой 1-10 Гц в виде таблеток размером 3-10 мм, движущихся со скоростью около 1 км/с. Надежность системы должна превышать 95%. По отдельности все указанные параметры реализованы в современных экспериментах. В частности, тритиевая технология развита совместно ORNL и Los-Alamos. Более 40 г трития было использовано в экспериментах. Надежная технология непрерывной инжекции была разработана СПбГТУ и “Прикладной физикой”. Формирование 2 мм водородных таблеток производилось в течение нескольких часов при частоте 1 и 2 Гц и надежности выше 95%. Устройство использует экструдер шнекового типа. Скорость экструзии до 50 мм/с позволяет получить частоты инжекции до 50 Гц, что желательно для открытых ловушек. Ускорение таблеток проводится в центрифугах или газовых пушках. Центрифуги имеют преимущество, обусловленное меньшей нагрузкой на систему откачки. Технические параметры существующих систем соответствуют требованиям нейтронного источника на базе открытых ловушек.
    Как водородные, так и примесные макрочастицы используются для исследований процессов переноса и измерений электрических и магнитных полей. Для открытых систем инжекция таблеток может дать дополнительную информацию о временах удержания частиц и энергии. Наблюдения структуры плазменных облаков позволяет определять направление магнитного и величину электрического полей с высоким пространственным разрешением. Может определяться также расположение пучков быстрых частиц.
    Примесные макрочастицы для диагностических целей имеют размер 0,1-1 мм и ускоряются в газодинамических потоках до 600 м/с. В плазму инжектируются разнообразные материалы в зависимости от решаемой задачи. Особо локальное возмущение примесей может быть реализовано с использованием двуслойных макрочастиц.
    Анализ показывает, что технологии, основанные на инжекции макрочастиц, имеют перспективы как в замкнутых, так и открытых магнитных ловушках.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАШЕНИЯ РАЗРЯДА ПРИ ИНЖЕКЦИИ МАКРОЧАСТИЦ В ТОКАМАК T-10

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

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 длительной работы дивертора и первой стенки современных крупных токамаков и реактора ITER. В этой связи в рамках экспериментальных компаний на установке Т-10 были проведены исследования выключения разряда токамака с использованием инжекции примеси с большим зарядом ядра.
    В экспериментах, в омическую плазму и плазму ЭЦРН разрядов инжектировались макрочастицы KCl размерами 0.2-0.6 мм со скоростями 100-150 м/с. Сразу после инжекции наблюдалось значительное снижение электронной температуры за счет появления новых холодных электронов при ионизации инжектированных примесей и роста мощности радиационных потерь плазмы. Указанные процессы  определяли вывод более 70 % тепловой энергии плазмы.
    Для моделирования гашения была разработана одномерная численная модель на основе решения системы транспортных уравнений, учитывающая мощность излучательных потерь вносимой примеси в корональном приближении. Первоначально, расчеты эволюции параметров плазмы после пеллет-инжекции проводились в предположении, что вид коэффициентов переноса не изменяется по сравнению с тем, который использовался для описания квазистационарных профилей параметров плазмы. Сравнение экспериментальных результатов с результатами численного моделирования демонстрирует невозможность в рамках такого подхода описание поведения электронной температуры плазмы во внутренних областях. Удовлетворительного согласия с экспериментом можно добиться, искусственно увеличивая коэффициенты переноса во всем плазменном шнуре в 2-3 раза на времена 0.2-0.3 от энергетического времени жизни плазмы. В докладе обсуждаются возможные причины такого поведения плазмы: нелокальный отклик ("non-local response") возмущения температуры плазмы или влияние пилообразных колебаний.

ДУГОВОЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР КВАЗИСТАЦИОНАРНОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ИНЖЕКТОРА

В.И.Давыденко, П.П.Дейчули, А.А.Иванов, В.В.Колмогоров, В.В.Мишагин, Н.В.Ступишин

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

    В ИЯФ СО РАН накоплен большой опыт по созданию импульсных дуговых плазменных генераторов [1]. В источниках этого типа дуговой газовый разряд горит между холодным катодом и анодом в канале, состоящем из набора медных диафрагм, изолированых друг от друга керамическими кольцами. Благодаря высокой плотности дугового тока, плазменная струя почти полностью состоит из протонов, при этом газовая эффективность дуговых источников близка к 100%. Для повышения выхода плазмы из источника вблизи анода создается продольное магнитное поле около 1 кГс. Однако, до сих пор длительность импульса в дуговых источниках плазмы не превышала 0.5 сек. [1]. Вместе с тем, создание  однородного плазменного эмиттера с низким содержанием примесей на и длительностью несколько секунд на основе дугового генератора открывает интересные возможности. На крупных термоядерных установках характерное время эксперимента исчисляется секундами и десятками секунд. Поэтому одно из перспективных приложений квазистационарного дугового генератора плазмы – использование его в качестве эмиттера ионов для мощного многосекундного инжектора атомов для диагностики термоядерной плазмы. Кроме того, квазистационарный многоамперный плазменный источник может использоваться в различных плазменных технологиях.
    В работе описан модернизированный квазистационарный дуговой генератор водородной плазмы [2].
    При токах дуги 150 – 350 А и магнитном поле в анодной области до 1 кГс плотность потока плазмы в плоскости эмиттера менялась от 12 до 200 mA/см². Полезный ток эмиттера в круге диаметром 65 мм составлял 4 А при однородности по сечению ±8%.
    В серии тестовых экспериментов дуговой генератор работал в режиме 1 и 2 секундных  импульсов (более 400 имп.).

    Литература

1. Yu.I. Belchenko, V.I. Davidenko, G.I. Dimov, et. at., Rev. Sci. Instrum. 61 (1990) 378.
2. Н.В.Ступишин и др., “Квазистационарный дугового генератор водородной плазмы.” Тезисы докладов XXV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС 1998г.

ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ОБРАТНОГО МИКРОВОЛНОВОГО РАССЕЯНИЯ  НА ТОКАМАКЕ ТУМАН-3М

В.В.Буланин, В.С.Ройтерштейн

Санкт-Петербургский государственный технический университет, Петербург, Россия

    На токамаке Туман-3М при переходе в омическую Н-моду были проведены исследования колебаний электронной плотности методом обратного рассеяния СВЧ излучения при наклонном падении зондирующей волны. Для измерений использовалась рефлектометрическая одноантенная схема с двойным гомодинным приемом обратно рассеянного излучения ( синус-косинусный рефлектометор) [1], [2]. Схема позволяла осуществлять зондирование со стороны сильного магнитного поля при различных углах наклона антенны относительно нормали к магнитной поверхности. Измерения проводились при фиксированных углах наклона –0°, ±5°, ±10°, ±15°, которые могли изменяться при переходе от разряда к разряду в токамаке. Частота зондирования была в пределах 17-24,5 ГГц при возбуждении О или Х моды, что соответствовало положению отсечки в области транспортного барьера, возникавшего на периферии плазмы при переходе в H-моду. При различных углах зондирования обратное рассеяние происходит на возмущениях плотности с различными полоидальными волновыми числами, что позволяет восстановить спектр по этим числам и оценить скорости полоидального вращения флуктуаций. Измерения проводились в режимах разряда с I_p=120-140 кА и B=0.6-0.8Т после боронизации камеры.     Как и следовало ожидать, наклон антенны приводил с смещению спектра рассеянного излучения в “синею” или “красную” сторону в зависимости от знака угла. Смещение спектра, которое проявлялось также как “убегание” фазы (см.[1]), увеличивалось с ростом угла наклона. В омической фазе разряда сдвиги спектра или изменения скорости нарастания фазы по величине были одинаковы для симметричных углов наклона. При переходе в H-моду они становились существенно различными. Такое различие в величине частотных сдвигов может быть объяснено при учете возникновения сильного шира полоидального вращения в H-моде.

    Литература

1. Буланин В.В., Корнеев Д.О., Физика плазмы, (1994), т.20, стр 20.
2. Bulanin V.V., Korneev D.O., Rozhansky V.A., Tendler M., Proc. of 22nd EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics. Bournemouth, (1995), Part II, p. 089.

“КВАЗИСТЕЛЛАРАТОРНЫЕ”  МАГНИТНЫЕ  ПОДСТРУКТУРЫ ТОРОИДАЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ С ТОКОМ

И.С.Данилкин

Институт Общей Физики РАН, Москва, Россия

    Рассматриваются качественные эффекты образования квазистеллараторных магнитных подструктур в тороидальной плазме с током. Обращается внимание на то, что глобальные стеллараторные структуры /1/ мало чувствительны к распределению создающего их тока в полюсах винтовой обмотки, что позволяет перенести ряд результатов на тороидальную плазму с током, частично контрагированным в магнитных островах, поскольку эти результаты также оказываются слабозависящими от распределения тока внутри острова. Качественный анализ возможных магнитных структур показывает, что использовавшияся до сих пор типичная картина магнитных островов соответствует возмущениям тороидальной плотности тока с ненулевым средним по магнитной поверхности, что связано с изменением магнитной энергии, запасаемой во внешней индуктивности плазменного кольца. Однако, возможны и другие типы возмущений, с нулевым средним, которые существенно отличаются от обычно рассматриваемой картины, но в гораздо большей степени соответствуют томографии внутренней структуры на крупных токомаках /2/. Обнаруживается существенная выделенность квадрупольной моды возмущения (m=2, n=1, m,n-полоидальный и тороидальный номера мод), создающей магнитный шир противоположного знака относительно исходного шира, создаваемого током плазмы..Последнее может приводить к исчезновению шира во внутренней области с потерей топологической устойчивости магнитной структуры и образованию “гигантской” подструктуры восьмерочного типа. Наличие тороидальности приводит к частичному полоидальному перекрытию внутренних магнитных структур с образованием специфического “манитного потока рассеяния”, по границам ранее изолированных в отсутствие тороидальности магнитных структур, ограничивавшихся двумерными сепаратриссами. Эти потоки рассеяния образуют транзитные зоны /3/, охватывающие частично перекрывшиеся магнитные структуры, которыемогут дать в пределе низких частот столкновений значительное усиление потока удерживаемых частиц плазмы.

    Литература:

1. Данилкин И.С., Хадин О.Е.,  Физика Плазмы, т.15, в.2 (1989), с. 155
2. R.S.Granetz, P.Smeulders, Nuclear Fusion, V.28, No.3, (1988) 457;  N.R.Sauthoff, S.von Goeler, W.Stodiek, Nuclear Fusion, V.18, No.10 (1978), 1445
3. Данилкин И.С., Физика Плазмы, т.11, в.1, (1985); Данилкин И.С.,Карпенко И.К., ЖТФ, т.39, в.11, (1969), с. 1140

ПРОЕКТ ДИАГНОСТИКИ МЕТОДОМ ЗОНДИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ ПУЧКОМ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ ДЛЯ СФЕРИЧЕСКОГО ТОКАМАКА ГЛОБУС-М

А.В. Мельников, С.В. Перфилов

РНЦ “Курчатовский Институт”, Москва, РОССИЯ

    Методика зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗПТИ) является уникальным средством для прямого измерения электрического потенциала плазмы, необходимого для понимания физической природы переноса и L-H перехода. При помощи этой диагностики возможно также нахождение концентрации, температуры и профиля тока плазмы. Принцип ЗПТИ заключается в инжектировании в плазму пучка однократно ионизованных частиц (первичного пучка) поперек удерживающего поля и регистрации возникающих при этом потоков частиц из плазмы (вторичных частиц) претерпевших ионизацию на электронах плазмы. Область ионизации частиц в плазме является локализованной в пространстве областью измерения электрического потенциала. Положение и размер исследуемой области определяется путем вычисления траекторий зондирующих частиц в магнитном поле установки.
    Рассчеты траекторий были сделаны для стандартного режима ГЛОБУСа-М (B₀ = 0.5 T, I_pl = 0.5 MA). Мы использовали классическую схему ЗПТИ: первичные ионы Cs⁺ инжектируются в плазму через верхний патрубок под углом a » 65° к вертикальной оси, регистрация вторичных частиц Cs⁺⁺ ведется через горизонтальный патрубок.
    Результаты рассчетов показывают, что на токамаке ГЛОБУС-М возможно проводить двумерные измерения методом ЗПТИ. Детекторная линия a = 70° соединяет центр плазмы с периферией, что дает возможность измерения радиальных профилей параметров плазмы. Диапазон энергии пучка Cs⁺ до 100 кэВ позволяет использовать компактную ускорительную аппаратуру.
    Эта работа поддержана РФФИ. Грант N 96-02-18702.
 
 
 

Heavy Ion Beam Probe (HIBP) Diagnostics Project for Spherical Tokamak GLOBUS-M

A.V. Melnikov, S.V. Perfilov

RRC “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia

    The Heavy Ion Beam Probe (HIBP) diagnostics is known as a unique tool for the direct plasma electric potential measurements. Its ability to measure plasma density, temperature and plasma current profile distribution are well known also. The operation of the HIBP is based on the injection of single charged ion beam (primary) into the plasma cross the maintaining field and the registration of the double charged particles (secondary) born due to collisions with the plasma electrons and escape the plasma. The area of the secondary ionization in plasma is the sample volume, the local point of the plasma potential measurements. The position and the size of the sample volume are determined by the calculation of the trajectories of the probing particles.
    The calculations of the probing beam trajectories were done for typical GLOBUS-M parameters: B₀ = 0.5 T, I_pl = 0.5 MA. For all calculations we fixed the singly charged Cs⁺primary probing ions and Cs⁺⁺ secondary ions. We used the traditional HIBP probing scheme, where the primary ions are injected from the upper outer side at an angle a ” 65^o to the vertical axis. The detector is located near to the horizontal port.
    The initial calculation show that HIBP allows to get 2D radial profiles of GLOBUS-M plasma parameters. The detector line of equal angle a = 70^o connects the centre and the edge of the plasma column. The energy range (less than 100 keV for Cs⁺) allows us to use compact and cheap equipment.
    This work was partly supported by Russian Basic Research Foundation. Grant N 96-02-18702.