Способ высокочастотного нагрева плазмы

(57) Изобретение леме нагрева пла ния управляемого теза в замкнутых ся к проб осуществле дерного си относ гнитных ловушках ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свиУ 342560, кл. Н 05Авторское свидеУ 719332,кл. С 21 В /Б ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА например токамаках. Целью изобретения является повышение эффективности нагрева плазмы при повышенных уровнях мощности. В дейтериевую плазму, находящуюся в неоднородном магнитном поле, инжектируют атомы изотопа Не и возбуждают быструю магнитозвуковую волну на частоте ионов этого изотопа "вблизи оси плазменного шнура. Для повышения эффективности нагрева в плазму добавляют водород с относительной концентрацией п/п, удовлетворяющей соотношению 2(2 Е+5)х (1-2 Е)/(4 Е +7)(4 Е +1) ( и/пр (10/7, где Е - отношение малого радиусаплазменного тора к большому;и- концентрация протонов;п - концентрация дейтонов.1135066Изобретение относится к способамвысокочастотного (ВЧ) нагрева плазмыи при решении проблемы управляемоготермоядерного синтеза на основе маг 5нитного удержания может быть использовано как метод дополнительного нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках, в том числе в токамаках истеллараторах. 10Целью изобретения является повышение эффективности нагрева плазмыпри повышенных уровнях вводимой в плазму ВЧ-мощности.В случае достаточно большой температуры ионов Не по сравнению с температурой ионов основной плазмы (этоотличие обусловлено ионами Нез) эффекты трансформации быстрой моды вмедленную в 1-й зоне трансформацииоказываются относительно слабыми,Кроме этого, при повышенной концентрации ионов Не (это повышение необЭходимо при увеличении мощности, вводимой в плазму) поглощение БМЗ волны в области ионно-циклотронного ре:зонанса (ИЦР) также относительно слабо. В связи с этим определяющими в формировании профиля энерговыделения являются эффекты, связанные с кон- З 0 версией быстрой волны в плазменную в зоне 2-й трансформации. Основная часть энергии возбуждаемой БМЗ волны переходи 1 в энергию плазменной волны, которая распространяется от35 2-й зоны конверсии в сторону увеличения магнитного поля, приближаясь к основному ИЦР для Не . В случае достаточно высокой температуры добавкй Йе (Т Нрз ) Т 1 ) плазменная вол на обладает особенностью,заключающейся в том,что она может распространяться вплоть до зоны основного ИЦР для Не . Поскольку в этой области медленная плазменная волна имеет очень малую длину (параметр К р - 1, где К - поперечное волновое число: р - ларморовский радиус для ионов Не ), то проявляется эффект обрезания хвоста функции распределения резонансных частиц, заключающийся в том,что в области энергии Е ) Я 8,5 Т / (К рр ) количество резонансных частиц пренебрежимо мало,а функция распределения при меньших энергиях имеет вид,близкий к плате. Это приводит к тому,что резко ослабляются потери энергии иэ плазмы, обусловленные уходом реэонанс 2 2ных частиц с высокими энергиями из магнитной ловушки за счет эффекта банановых орбит. Такое преимущест-. во важно для токамаков с малыми размерами либо с низким значением магнитного поля и особенно для стеллараторов, для которых эффекты, связанные с банановыми траекториями, значительно сильнее,чем для токамаков. Эффект обрезания приводит также к тому,что торможение резонансных частиц происходит в основном на ионах основного газа и относительно слабо на электронах. Это повышает скорость кулоновского обмена между резонансными и основными ионами и повышает предельный уровень вводимой в плазму мощности, идущей на нагрев основных ионов. Вохможность значительного увеличения предельного уровня мощности определяется кроме того, возможностью использования существенно большей концентрации ионов резонансной добавки (до 20-307) вследствие того, что затухание плазменной волны в зоне для Не благодаря ее мелкомасштабности и линейности поляризации не уменьшается с ростом концентрации,в то время как в этих условиях поглощение быстрои моды за счет основного ИЦР для Не сущест 3венно ослабляется.Таким образом, помимо повышения эффективности нагрева, связанного с уменьшением потерь, становится воз-можным осуществление режима с увепиченной предельной мощностью, идущей непосредственно на нагрев основных ионов как за счет эффекта обрезания хвостов.В качестве примера конкретного использования способа рассмотрим возбуждение, распространение и поглощение БЗМ волны в плазменном шнуре токамака "Туман" с параметрами;большой радиус тора К = 55 см, радиус плазменного шнура а = 20 см,магнитное поле в центре шнура Н, = 5 кЭ.Система ввода размещается с внутренней стороны тора, т,е. возбуждение БЗМ волны в плазменном шнуре осуществляется со стороны сильного магнитного поля. В дейтериевую плазму токамака с температурой дейтонов Т, = 200 эВ и электронной концентра 3цией в центре шнура пв = 310 "смвводится добавка водорода с температурой Т; = 200 эВ и относительнойСоставитель В.Чуянов Техред И,Попович Редактор И.Николайчук Корректор Г.Решетник Заказ 5285/48 Тираж 395 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 з 13 концентрацией= 0,5, удовлетворяющей соотношению 2 (2 Е +5)(1-2 Е )/ /(4 Е +7) (4 Е +1) ( 1 ( 1 О/7 (действительно, для токамака "Туман" аспектное отношение Я = а/Ко = 0,36 и, следовательно, 2 (2 Г +5) (1-2) / /(4 Ы +7) (4 Е +1): 0,15 и добавка изотопа гелия Не с относительной концентрацией п еэ/и -" 0,1 и температурой 1 КэВ. Частота возбуждаемой волны выбирается равной 5,46МГц. Такое значение частоты обеспечивает расположение зоны основного ИЦР для изтопа гелия Не вблизиэ плазменного шнура.Возбуждаемая с помощью антенны быстрая мода БЗМ волны, распространяясь внутрь плазменного шнура, достигает зоны 1-й трансформации, в которой эффекты генерации плазменной ,волны слабо проявляются.Распространяясь далее, быстрая мода приближается к зоне 2-й трансформации, где практически полностью трансформируется в плазменную волну, распространяющуюся в сторону увеличения магнитного поля и уносящую энергию к зоне ИЦР для Не. В этой зоне энергия плазменной волны полностью поглощается.Таким образом, практически вся вводимая в плазму энергия выделяется в центральных областях плазменного шнура, причем эта энергия поглощается ионами изотопа Не за счет затухания медленной волны в отличие от известного способа, при использовании которого ионы изотопа Неэ поглощают энергию за счет затухания быстрой волны.Это позволяет осуществить силовые эксперименты с большой мощностью, передаваемой от резонансных ионов Не непосредственно основным ионам 506624плазмы, и существенно снизить потери энергии, уносимой резонанснымиионами, имеющими конечные банановыеорбиты, на стенку камеры.5Предельная мощность при использовании предлагаемого способа можетболее чем на порядок превышать аналогичную величину для известногоспособа.Кроме того, предлагаемый способв ловушках с умеренными размерамипозволяет существенно снизить потериэнергии, уносимой резонансными ионами за счет дрейфа по банановым траекториям на стенку камеры, В результате в процессе ВЧ-нагреваплазмы значительно повышается эффективность преобразования ВЧ-энергии втепловую энергию дейтонов при повышенных уровнях вводимой ВЧ-мощности. Формула изобретения,Способ высокочастотного нагрева25 плазмы, преимущественно дейтериевой,находящейся в неоднородном магнитном поле токамака, включающий инжекцию изотопа гелия Не 3 и возбуждениебыстрой магнитозвуковой волны начастоте, соответствующей основнойциклотронной частоте для ионов этого изотопа, о т л и ч а ю щ и й с ятем,что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы при повышенных35 уровнях вводимой высокочастотноймощности, в плазму добавляют водород с относительной концентрациейп/пп, удовлетворяющей соотношению2(2 Е +5) (1-2 Е )/(4 Е +7) (4 Е +1) ( и/40 и в (10/7,где Е - отношение малого радиусаплазмы к большому (аспектноеотношение);и- концентрация протонов;и - концентрация дейтонов,