Способ высокочастотного нагрева плазмы

)4 ( 21 0 НИЕ ИЗ ЕТЕНВУ 0 е36С.С.Павлов лич а целью пов рева, в пла сных ионов арядового/Я, выб с неравенст ю ы- -- ) (Е/4 с1 50% о 0,50( где адиу слыл апас ой у ацие е и к ческо начени(54) (57) СПО НАГРЕВА ПЛАЗ териевой или находящейся ном поле тор путем возбужд звуковых вол ветствующей тронной част ОБ ВЫСОКОЧАГИЫ,преимущест дейтерий-три неоднородноидальной лов ения быстрых БМЗ на част войной ионно те дейтерия ТОТ НОГОвенно дейтиевой,м магнитушки,магнито - от осде Т шение температур вных ионов (дейт к температупримеси,туфовая сктоиов 3угловая часбольшой рад оте, со й цикл тотаиус т БИЗ-волны а.вблизи ос ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬ(56) 1. Лонгинов А.В. Степанов К.Н.О высокочастотном нагреве неоднородной плазмы, Препринт ХФТИ, 72-1,72-2, Харьков, 1972.2, Авторское свидетельство СССРР 342560,.кл. Н 05 Н 1/00, 975.3. Авторское свидетельство СССРР 719332, кл. С 21 В 1/00, 978,4, Степанов К,Н. О циклотронномпоглощении волн в плазме. Журнал экспериментальной и теОретической физики, 38, 265, 1960 (прототип). плазменного шнура, о щ и й с я тем что, шения эАФективности н му вводят добавку прим с величиной отношения числа к массовому чи .раемого в соответств вом плазмы)й радиус торамагнитогидродинамитойчивости,превьппающей криИзобретение относится к способамнагрева плазмы и мажет быть использована как метод дополнительногонагрева плазмы в тороидальных лавушках, в том числе в термоядерном реакторе.Известен способ нагрева, при котором, например, в дейтериеной плазмевозбуждают быстрые магнитаэнуковые(БМЗ) волны на частоте, равной цик 1 Олотронной (ЦЧ) частоте дейтонов вцентре плазменного шнура. В этомслучае можно обеспечить высококоэффективньй ввод высокочастотной (ВЧ)энергии в плазму 1 ,15Однако такой метод нагрева является недостаточно эФФективнымиз-за относительно слабого поглощения БМЗ волны в зоне ионного циклотронного резонанса (ИЦР) для дейтерия, Причиной слабого поглощенияявляется следующее свойство БМЗ: взоне ИЦР электромагнитное поле имеетпочти круговую поляризацию, приэтом направление вращения вектораэлектрического поля противоположнонаправлению вращения резонансныхиоНов.Известен также способ нагреваплазмы, при котором с целью обес- ЗОпечения эгхэективного поглощенияэнергии возбуждаемой БМЗ волны нглубине плазмы вводят в плазму небольшую добавку легких примесныхионов, а частоту волны выбирают равной ЦЧ для ионов добавки. Напримерв дейтериевую или дейтерий-тритиевую плазму нводят малую добавкуводорода 2 либо изотопа гелия(Не ) 31, Поскольку поляризация 4 Оволны определяется основными ионами,для которых ЦЧ существенно ниже частоты возбуждаемой БМЗ волны, та поляризация.этой волны оказываетсяэллиптической. В этом случае появляется существенная состанляющаявектора электрического поля, которая вращается н направлении вращения примесных ионов, Это приводитк усиленному поглощению электромагнитной волны за счет ИЦР на примесных ионах, которые затем за счеткулоновских столкновений передаютсвою энергию основным ионам,Однако для обеспечения достаточно высокой эффективности передачиэнергии от резонансных ионов к ионамосновного газа при использовании этого метода необходимо выбирать довольно высокие концентрации ионов добавки,(выше 57,), в противном случае из-за высокой удельной мощности поглощаемой ионами добавки, возможен отрыв температуры ионов добавки ат температуры основного газа, приводящий крезкому ослаблению эААективнасти передачи ВЧ-энергии от ионов добавки к основным ионам. При таком выборе вблизи резонансной зоны появляется зона трансАормации быстрой волны н плазменную, что приводит к возбуждению плазменной волны, уносящей значительную часть энергии на периферию плазмы, Это ведет к снижению эффективности такога метода нагрева.Наиболее близким по назначению,технической сущности и достигаемомурезультату к изобретению является способ высокочастотного нагрева плазмы, преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиеноч, находящейся н неоднородном магнитном поле, например н тороидальной ловушке (токамаке или стеллараторе), путем возбуждения быстрых магнитозвуковых волн на частоте, соответстнующей двойной ионной ЦУ дейтерия вблизи оси плазменного шнура 41. Такой метод нагрева перспективен для исгальзования в магнитных ловушках с термоядерными параметрами. При использовании этого метода нагрева БМЗ-волна возбуждаемая на периферии плазмы с помощью антенных устройств, распространяясь к центру плазменного шнура, поглощается в зоне, где частота волны сравнивается с двойной ЦЧ для ионов плазмы. В этой зоне благодаря конечной тепловой скорости резонансных частиц и относительно небольшой длине БМЗ-волны поперек магнитного поля нозникает эффект пространственной дисперсии, приводящий к тому, что при взаимодействии ионов с электрическим полем волны возникает сила, действующая на резонансные, частицы с частотой, равной ЦЧ ионов плазмы. При этом поглощение может быть существенно ныше, чем при использовании БМЗ-волны с частотой, равной ЦЧ.Недостатком этого метода является то, что при возбуждении БМЗ-нолны с достаточно большой Аазоной%оФ Ф где и - радиус плазмы9 р - большой радиус тора;- запас магнитогидродинамической устойчивости, иконцентрацией, превышающейкритическое значениеТ т ( 271-ЗИт аА 145 где 7 /Т - отношение температурыосновных ионов (дейтерия) к температуре ионовтяжелой примеси;Мт " тепловая скорость дейтонов;ы " угловая частота БМЗ-волюаны,Ю- большой радиус тора.В этом случае БМЗ-волна расспро страняясь от периферии плазменного шнура, проходит зову двойного цикло" тронного резонанса (ЦР) для дей 35 40 скоростью вдоль магнитного поля вблизи двойной ионной циклотронной зоны возникает эона, в которой поперечный показатель преломления быстрой волны сравнивается с поперечным показателем преломпения плазменной волны (в точке трансформации). В этой зоне происходит трансформация БМЗ-волны в медленную плазменную волну, которая, распростра явясь к периферии плазмы, уносит значительную часть энергии, выделяющейся затем в периферийных областях плазменного шнура. Такой эффект приводит к существенному сни жению эффективности нагрева с исполь зованием поглощения БМЗ-волны на двойной ЦЧ.Целью изобретения являетсяповышение эффективности нагрева плазмь. 20Поставленная цель достигается тем, что в способе высокочастотного нагрева плазмы, преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиевой, находящейся в неоднородном магнит ном поле тороидальной ловушки, путем возбуждения БМЗ-волн на частоте, соответствующей двойной ЦЧ для ионов дейтерия, в плазму вводят добавку примесных ионов с величиной отно щения зарядового числа к массовому числу 7/ А, выбираемого в соответствии с соотношением тонов, частично поглощаясь в ней на ионах дейтерия. Другая часть, распространясь далее в виде БМЗ-волны, достигает периферии плазмы и отражается снова вглубь плазменного шнура. Кроме того, в зоне двойного ЦР для дейтонов происходит возбуждение плазменной волны, которая распространяется встсрону увеличения магнитного поля, Благодаря выбору добавки с отношением Е/Я0,50 на пути распространения плазменной волны возникает эона двойного ЦР.для примеси. Поскольку плазменная волна в отличие от БМЗ-волны имеет линейную поляризацию и является более коротковолновой, чем БМЗ-волна, то она испытывает сильное поглощение в зоне двойного ИЦР для примеси Так как в этом случае выделение энергии возбужденной БМЗ-волны осу.ществляется в двух зонах двойного ЦР для дейтонов и примесных ионов, то выбор минимальной величины отно 1110 а шения 2/Я ) 0,50(1,00 - обесЪ о печивает выделение энергии в центральной области плазменного шнура внутри эоны, в которой происходит перемешивание плазмы эа счет релаксационных магнитогидродинамических колебаний (внутри так называемой г -зоны). При указанной минимальной величине отношения /А расстояние между зонами двойных ЦР для дейтонов и примесных ионов для типичных параметров токамака будет меньше диаметра Г -зоны. Таким о разом, использование тяжелой приб5меси с отношением0,50(1,00 - - -- гУА С 0,501 50 аА "е. позволяет обеспечить выделение почти всей энергии, вводимой в плазму, в г - зоне и тем самым повысить эффективность нагрева по сравнению " методом, принятым за прототип.Существенность отличий предлагаемого способа заключается в том, что примесь с отношением ./А, удовлетво" ряюамм веравеяству О, 50( 1,00" )1 ( ь( 0,50, как специальная деленаф 7 /Ь правленная (для повышения эФдективности ВЧ-нагрева) добавка, ранее нигде не использовалась. Кроме того, в отличие от известного способа нагрева плазмы, где используются до 115797банки относительно легких примесей в дейтериевую плазму водорода и гелия), а частота возбуждения выбирается равной основной ионной ЦЧ для легкой примеси, в предлагаемом способе используется поглощение на двойкой ионной ЦЧ для добавки и используются примеси с повышенным значением 2 . В этих условиях повышается эффективность передачи энергии от нагреваемых волной примесных ионов к основным ионам за счет кулоновских столкновений, частота которых растет пропорционально величине 2На фиг, 1 показан плазменный шнур токамака, поперечный разрез на фиг. 2 - схема распространения БМЗ-волны и поглощения ВЧ-энергии в плазме,О 2 О Система вводаразмещается с внешней стороны тора, а возбуждение БМЗ-волны 2 в плазменном шнуре 325 осуществляется со стороны слабого магнитного поля, Картина распространения БМЗ-волны н поглощения ВЧ-энергии в плазме дана на фиг, 2, на которой показана зависимость поперечного показателя преломления для быстрой и медленной плазменной волн в экваториальной плоскости 4 плазменного шнура. Здесь же приведена интенсивность потока ВЧ-энергии, величина которой характеризуется 35 шириной заштрихованной области, Возбуждаемая с помощью антенны быстрая мода БИЗ-волны 2, распространяясь внутрь плазменного шнура, достигает зоны 5 двойного ионного ЦР для 4 Одейтерия и частично поглощается в ней, Остальная часть энергии, переносимая волной, эа зоной поглощения уносигся частично быстрой волной к периферии плазмы и частич но-медленной плазменной волной, которая, несмотря на отсутствие условия трансформации быстрой волны.в медленную плазменную, весьма интенсивно возбуждается в этой области Медленная плазменная волна, проходя через зону 6 двойного ЦР для при" меси, практически полностью в,ией поглощается, Быстрая же волна, доходя до границы плазмы, отражается от нее и возвращается к области двойного ЦР для дейтерия. В этой области снова энергия волны частично переходит н энергию медленнойплазменной волны, распространяющейся к зоне двойного ионного ЦР дляпримеси, частично поглощается в зоне двойного, ионного ЦР для дейтерияи частично проходит к границе плазмы, расположенной со стороны антенныВ результате нескольких таких отражений от границ плазмы энергия возбужденной быстрой волны выделенав областях двойных ионных ЦР дляионов основного газа (дейтерия)и примесных ионов.В качестве примера конкретногоиспольэовайия предлагаемого способарассмотрим возбуждение, распространение и поглощение БМЗ-волны вплазменном шнуре токамака с параметрами "Т" (большой радиус тораР =150 см, радиус плазменногошнура м = 35 см, магнитное поле вцентре шнура Н = 30 кЭ 1, В дейтериевую плазму токамака с температурой дейтонов Т1 кЭ Ч и элекэ утронной концентрацией, НС = 7, 1 О смвводится добавка изотопа неонаГ бМе. Частота возбуждаемой волнывыбирается равной 44 ИГц. Такоезначение частоты обеспечивает расположениезон двойного ЦР для дейтонов и неона на расстоянии7,8 см от центра шнура, Процессывозбуждении и поглощения БМЗ-волны,имеющие место в этом случае, рассмотрим, используя результаты численного эксперимента, моделирующегораспространение и поглощение БМЗ-волны в экваториальной плоскости 4,Расчеты проводят в цилиндрическойсистеме координат с центром в точкепересечения оси тора с экваториальной плоскостью, причем основноемагнитное поле в такой геометриинаправлено по .углу ЧПрофиль плотности для плазмы и ее температурупри этом выбирают параболическими,а магнитное поле - изменяющимся позакону И = й 0 й /Р. Рачеты проведены для случая возбуждения отдельной аэимутальной моды по радиусутора с номеромв = 7. Длина волны в этом случае вдоль направления магнитного поля в точке двойногоЦР для дейтонов 7 = 141,6 см, ампродольный показатель преломленияИ= 4,8,Рассмотрим случай, когда волна возбуждается на частотеравной35 двойной 1 Ч для ионов дейтерия при. Я = 157,8 см в отсутствие ионов добавки тяжелой примеси (случай, аналогичный прототипу). При выбранных значениях продольного показате 5 ля преломления и температуры плазмъ точка трансформации быстрой волны в медленную плазменную отсутст вует. Однако эффект связи быстрой и медленной плазменной волн будет сильным из-за многократного прохождения быстрой волной области взаимодействия с медленной плазменной волной. БМЗ-волна распроУ15 страняясь поперек плазменного шнура, проходит зону двойного ЦР для дейтонов, рассположеп- го на радиусе- 157,8 см, до тает противоположной стенки вакуумной камеры и от-20 ражается к центру плазмы, Так как .поглощение в,зоне двойного ИЦР слабое,то такие отражения происходят многократно, а в плазменном шнуре устанавливается распределение элек тромагнитного поля, близкое к стоячей вопне, Помимо поглощения БМЗ-вол ны в зоне двойного ИЦР в этой же зоне происходит генерация плазменной волны, уносящей энергию к пе 30 риферии плазмы. Хотя эта волна имеет более сильное поглощение за счет черенковского затухания на электронах по сравнение с БМЗ-волной, но поглощение все же очень слабое, поэтому плазменная волна практически полностью поглощается на периферии плазмы, где,для нее существует точка трансформации в еще более коротковолновую плазменную волну. В результате доля энергии, поглощенной в центральной области шнура за счет механизма двойного ЦР, существенно меньше, чем выделение энергии на периферии плазмы. Из расчетов следует, что только 263 45 излученной антенной мощности поглощается в центральных областях плазменного шнура.Рассмотрим теперь случай, когда в тех же условиях в плазму дополнительно вводится малая добавка изогтопа неонаМВ с относительной концентрацией О,ЗЕ и температурой 6 кэВ. Картина распространения БМЗ-волны в обоих случаях во многом . 5 совпадает, Таким же образом происхо-. дит генерация плазменной волны. Однако введение столь небольшой добавки примеси существенным образомизменяет картину поглощения волны.Теперь плазменная волна, проходячерез зону двойного ИЦР для изотопа неона ( Й = 142,2 см), практическиполностью поглощается в ней, Лишьнезначительная доля общей энергии(около 27), переносимой плазменной волной, проходит через зонудвойного ИЦР для примеси и выделяется на периферии плазменного шнураТаким образом, в данном случаепримерно 987 всей энергии выделяется в центральных областях плазменного шнура, причем 2 бЕ в зонедвойного ИЦР для дейтерия и 723в зоне двойного ИЦР для примеси.Для обеспечения высокой эффективности нагрева при использовании предлагаемого способа необходимо обеспечить условия, при которыхмедленнаяплазменная волна, проходя через зону двойного ИЦР для тяжелой примеси, полностью поглощается в этойзоне. Такие условия выполняются,если относительная концентрацияпримескых ионов превышает некотороекритическое значениекрогде ТТ - отношение температуры основных ионов (дейтерия)к температуре ионов тяжелой примесиЧ - тепловая скорость дейтоновм) - угловая частота БМЗ-волны.Это выражение получено из условия, что оптическая толща должнабыть больше или порядка единицы.В то же время существенное превышение критического значения"Рдля относительной концентрации нежелательно из-за увеличения потерьэнергии из плазмы за счет излучений,обусловленных торможением электронов на тяжелых примесях. В частности,для реактора значение относительнойконцентрации для тяжелой примеси.ограничено сверху радиационнымипотерями. Отсюда также следует, чтов предлагаемом способе предпочтительным является использование тяжелойдобавки с невысоким значением заряда Е .Как видно иэ этого примера,полное поглощение энергии в центреСоставитель В, ЧуянРедактор Л. Утехина Техред С,Мигунова орректор Л. Бескид 92 Тираж ВНИИПИ Государствен по делам изобрете 035, Москва, Ж, РПодписи аказ комитета СССР и открытийкая наб., д, 4 и ППП "Патент",плазменного шнура может быть обеспечено введением тяжелой добавки с очень малой концентрацией. В данном примере приращение эффективного заряда в плазме которое вычисляется по1формуле:,6 ГФ 2 Ь( 1 2 - зарядное число иона добавки,п - относительная концентрация добавки), примерно равно 0,3, что не приводит 10 к существенндму увеличению потерь энергии из плазмы эа счет роста излучения. В то же время, несмотря на малую концентрацию ионов примеси, передача энергии, поглощаемой резо нансными примеснымя ионами, к основмным ионам будет достаточна эффективна из-за высокого значения 2 для примеси.Преимущества способа заключают ся в том, что при использовании приме . сей с отношением/Д, соответствую,йащим неравенству 0,50(1,00 1 г к )1 о 24 ( О, 50, существенно повышается эФФективность нагрева плазмы,В случае возбуждения отдельнойазимутальной моды с Ип4,8 (в зоне двойного ЦР для дейтонов) эффективность нагрева повышается почтив 3 раза,В реальных условиях в дейтериевойплазме возможно наличие некоторойдобавки водорода. В этом случае эффект возбуждения медленной плазменной волны в зоне ИЦР для водородаи двойного ионного ЦР для дейтерия,уносящей энергию на периферию плазмы,оказывается чрезвычайно сильным,Использование в этих условиях добавки тяжелых примесей позволяет обесчечить высокую эффективность нагрева.