Способ создания стационарного тока в плазме

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 19) 111) О 1)4 С 21 В 1/00 МИТЕТ СССРИЙ И ОТКРЫТИЙ ОСУЯАРСТВЕННЫИПО ДЕЛАМ ИЗОБ АВТ тличающий часто с я т мес фективности тока, в кач дород и вещ дового числ тветс(Зпт/п 1,е пт, пр быструювозбуждаюнитного и одорода сходила магитоэву зме клотронных и щества римес САНИЯ ИЗОБЕЕТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) МогС П.1. ТЬе рег 1 яСа 1 г.дс Тосатас. - Р 1 аятпа рЬуя., 1971, 13, р.258.РдясЬ М.1. СопГ 1 пдпд а го 1 сашак р 1 аяш ю 1 гЬ гй ег 1 чеп сцггепг - РЬуя. Кеч.1,ей, 1978, 41, р.873.(54)(57) СПОСОБ СОЗДАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ТОКА В ПЛАЗМЕ, преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиевой, в замкнутой магнитной ловушке путем введения в плазму примеси и возбуждения бегущей вдоль магнитного полябыстрой магнитозвуковой волны с частотой, равной ионной циклотронной что с целью повышени генерации стационарного естве примеси вводят воество с отношением заря- а к массовому числу 2/А, ющим соотношению2) /6 (п т/п +1) с 2/А с 1/2, - отношение плотностиионов трития к плотнос.ти ионов дейтерия.магнитоэвуковую волну со стороны сильного магя, причем концентрацию ыбирают такои, чтобы рансформация быстрой ой волны в медленную ежду зонами двоиныхрезонансов для дейте12168054 5 О тора К=150 см, радиус плазменногошнура й=35 см, магнитное поле в центре шнура Но=30 кЭ). В дейтериевуюплазму токамака с температурой дейтронов Т 9=3 КэВ и электронной концентрацией п=7,1 10 см- вводится добавка водорода с относительнойконцентрацией 4 Е и температуройТ;=3 КэВ, добавка изотопа литияЬГс относительной концентрацией 37 итемпературой 6 КэВ. Отношение Е/Адля ионов изотопа лития равно 3/7и соответствует соотношениюЗпт/пъ+2---с Е/Ас 1/2.6(пт/п 1+1)Частота возбуждаемой волны выбирается равной двойной ионной циклотронной частоте изотопа лития в центреплазменного шнура. Возбуждается азимутальная мода с волновым числомш=7 по большому азимуту, Электроннаятемпература в центре плазменного шнура равна 3 КэВ, т.е, выше потенциала ионизации водородоподобного ионаизотопа лития.Процессы возбуждения и поглощенияБМЗ волны, имеющие место в этом слу-чае, рассмотрим, используя результаты численного эксперимента, моделирующего расспространение и поглощение БМЗ волны в экваториальной плоскости 4. Расчеты проводят в цилиндрической системе координат с центромв точке пересечения оси тора с экваториальной плоскостью, причем уголь 45 направлен вдоль оси плазменного шнура. Профиль плотности для плазмы иее температура при этом выбираютсяпараболическими, а магнитное полеизменяющимся по закону Н=НОКо/К.. Для выбранных параметров плазмыположение характерных зон следующее:зона двойного ионного циклотронного,резонанса для изотопа лития распола-,гается около Кц,=150 см, зона цикло тронного резонанса для ионов водорода - около К,=173 см, зона трансформации быстрой моды БМЗ волны вмедленную плазменную - около Кр= 3Благодаря особенностям плазменной волны, а именно линейности поляризации и мелкомасштабности, такая волна сильно поглощается в зоне двойного циклотронного резонанса для ионов тяжелой примеси, даже если их концентрация очень мала. По этой причине, за счет эффекта Допплера, волна полностью поглощается на подходе к зоне, где ее частота совпадает с двойной циклотронной частотой ионов тяжелой добавки. Это означает, что медленная плазменная волна поглощается только ионами с весьма большой тепловой скоростью вдоль направления магнитного поля. При этом благодаря использованию бегущей вдоль оси плазменного шнура электромагнитной волны поглощение происходит только на частицах, движущихся в одном направлении вдоль силовых линий магнитного поля. Этот эффект и обуславливает возникновение стационарного тока, при этом поскольку поглощение энергии осуществляется на частицах со скоростью вдоль магнитного поля значительно большей, чем тепловая скорость ионов, достигается максимальная эффективность генерации стационарного тока. Этот максимум имеет место, если скорость примерно в 5 раз больше тепловой скорости.На фиг.1 показан плазменный шнур токамака, поперечный разрез; на Фиг.2- схема, иллюстрирующая картину распространения БМЗ волны и поглощение ВЧ энергии в плазме, а также качественная зависимость поперечного показателя преломления В 1 для быстрой и медленной плазменной волн по диаметру плазменного шнура.Система ввода - антенна 1 размещается с внутренней стороны тора. Возбуждение БМЗ волны 2 в плазменном шнуре 3 осуществляется со стороны магнитного поля. Величина интенсивности потока ВЧ энергии к экваториальной плоскости 4 определяется шириной заштрихованной области. Возбуждаемая с помощью антенны 1 быстрая иода БМЗ волны 2, распространяясь со стороны сильного магнитного поля через плазменный шнур, достигает зоны трансформации в плазменную волну, где практически вся ее энергия трансформируется в энергию плазменной волны, которая выделяется наподходе к зоне 5 двойного ионного циклотронного резонанса (ИЦР) для тяжелой,примеси. Лишь незначительная часть энергии возбужденной БМЗ волны, переносимая быстрой модой,. просачивается через зону непрозрачности и достигает зоны 6 ИЦР, где поглощается ионами дейтерия и водорода.Рассмотрим возбуждение, распространение и поглощение бегущей БМЗ волны в плазменнсм шнуре токамака спараметрами Т(большой радиусЗО Ионы тяжелоидобавки РигоР,Щ 2 3 335 0,67 0,50 20 47919- 0,43 97 37 оь(,хлЯ45 Ро 030 030100У=170 см. БМЗ волна, распространяясь поперек плазменного шнура со стороны сильного магнитного поля, проходит зону двойного ионного циклотронного резонанса для изотопа лития и достигает зоны трансформации быстрой волны в плазменную (К=170 см). В этой области быстрая мода БМЗ волны почти целиком, трансформируется в плазменную волну за один проход.Лишь незначительная доля энергии, примерно ЗЕ, поглощается в зоне трансформации и в зоне циклотронного резонанса для ионов добавки водорода, основная же часть поглощается в зоне двойного циклотронного резонанса для ионов тяжелой примеси, Таким образом, благодаря введению добавки осуществляется эффективная перекачка энергии БМЗ волны в энергию плазменной волны, поглощение практически полностью происходит на ионах тяжелой примеси, а не на электронах.Поглощение плазменной волны осуществляется на подходе к точке двойного циклотронного резонанса для изотопа лития, Резонансные ионы, в основном поглощающие энергию плазменной волны, имеют скорость вдоль направления магнитного поля ф 9 10" см/с, что примерно соответствует условиям достижения максимальной эффективности генерируемого стационарного тока, Таким образом, диссипация энергии осуществляется полностью на ионах лития, причем достигается полная ассиметрия поглощения (волна поглощается на частицах, движущихся в одном направлении и имеющих достаточно большие продольные скорости).В качестве добавки используют ионы изотопа лития 51. Возможно использование других элементов (фтора, изотопа углерода, изотопа неона и т.п.).Для обеспечения поглощения энергии примесными частицами с надтепловыми скоростями необходимо, чтобы концентрация ионов тяжелой примеси была не очень мала, в противном случае из-за малого количества этих частиц затухание настолько уменьшается,что волна может проникать в область резонансных частиц, движущихся в противоположном направлении вдоль магнитного поля. Это приводит к компенсации токов и снижению эффективности генерации тока. Как следует из численных расчетов, эта минимальная концентрация оказывается весьма малой и составляет от нескольких процентов для ионов с относительно низким отношением Е/А до десятых долей процента для добавок с большим Е/А.Использование слишком большой концентрации тяжелой добавки приводит также к снижению эффективности гене Орации тока (в частности, если концентрация добавки такова, что эффективный заряд плазмы Е-фЕ,то эффективность генерации тока стремится к нулю), поэтому концентрация добавки 15не должна превышать значений, при которых Ер(О,ЗЕ. Отсюда следует, что относительная концентрация добавки и /п(1/3 Е. С точки зрения потерь из плазмы за счет излучений на 20примесях концентрации, удовлетворяющие приведенным условиям, не являются опасными из-за небольших прира" щений ЕЗР .В таблице приведено сравнение эффективности предлагаемого метода создания тока при использовании различных видов ионов тяжелой примеси,Значения параметраопределяются как отношение энергии, поглощенной тяжелой примесью Р к общей ВЧ мощности, вводимой в плазму, Р. Так как величина генерируемого тока 1 пропорциональна Р(1 Р), то эффективность генерации тока 1/Р - Р / Р =1. Как следуеч из таблицы, использование изотопов фтора н лития с Зп.пЬ+2- ( Е/АО/2 дает доста(п/п 1,+1)Тираж 387 Государственного елам изобретений сква, Ж, Рауш аказ одписноеСР комитета Си открытийкая наб.,4 5 лиал ППППатент", г.ужгород, ул.Проектная,точно высокое значение эффективности 1 . Использование элементаНе иь С приводит к очень низкому знайчению 1 из-за слабого проникновения БМЗ волн в области циклотронного затухания для этих примесей (энергия БМЗ волны в основном переходит в энергию плазменной волны, в области распространения которой эффекты циклотронного поглощения на таких примесях отсутствуют) . В случае исполь-оо( хкх)зованияМ - в дейтерий-тритиевой плазме низкая эффективность 1обусловлена тем, что плазменная волна не достигает зоны циклотронногорезонанса для примеси молибдена изза трансформации в более мелкомасш"табную плазменную волну и последу О ющего поглащения иа электронах.