ОГЛАВЛЕНИЕ:
Введение. 5
Г лава 1. Обзор литературы. 10
1.1 Краткая характеристика основных крупномасштабных МГД неустойчивостей 10 в токамаке.
1.2 Основные проявления МІ Д неустойчивостей в токамаке. 15
1.3 Краткая характеристика основных операционных пределов в токамаке. 20
1.4 Основы теории устойчивости тиринг-моды в токамаке. 22
1.5 Основы теории стабилизации тиринг-мод при помощи СВЧ нагрева и генерации тока. 26
1.6 Краткий обзор экспериментальных результатов по подавлению тиринг-мод при помощи нагрева и генерации тока СВЧ волнами. 29
1.7 Основные способы подавления пилообразных колебаний и эксперименты
по стабилизации их при помощи СВЧ волн. 31
1.8 Основы теории неоклассических тиринг-мод. 33
1.9 Наблюдение и исследование неоклассических тиринг-мод в различных токамаках. 36
Глава 2. Экспериментальная установка и диагностики. 41
2.1 Установка Г-10. СВЧ комплекс установки Т-10. 41
2.2 Диагностические системы, использованные при исследовании МГД неустойчивостей. 42
2.3 Компьютерные коды, использовавшиеся при моделировании эксперимента. 45
Глава 3. Исследование воздействия генерации тока СВЧ волнами на пилообразные колебания.
48
3.1 Стабилизация пилообразных колебаний при помощи генерации тока СВЧ волнами. 48
3.2 Необычные пилообразные колебания в плазме с генерацией тока СВЧ волнами. 50
3.3 Расчёты профилей ц(г) для режимов, в которых изучапось воздействие генерации тока СВЧ волнами на пилообразные колебания и обсуждение полученных результатов. 55
Выводы к главе 3. 60
Глава 4. Исследование стабилизации тиринг моды ш=2/п=1 при помощи нагрева и генерации тока СВЧ волнами. 61
4.1 Эксперименты по подавлению тиринг моды (2,1) при помощи СВЧ нагрева в режимах
с НИЗКИМИ Ча. 61
4.2 Исследование условий дестабилизации моды (2,1) при инжекции СВЧ мощности. 66
4.3 Эксперименты по предотвращению развития срыва по предельной плотности при помощи СВЧ нагрева при различной локализации вклада СВЧ мощности. 68
4.4 Эксперименты по подавлению тиринг моды (2,1) при помощи СВЧ генерации тока. 72
4.5 Обсуждение экспериментальных результатов. 75
Выводы к главе 4. 81
Глава 5. Исследование ограничения величины бета резистивными тиринг-модами. 82
5.1 Наблюдение мягких пределов по бета. 82
5.2 Неоклассическая тиринг-мода как неустойчивость, ответственная за мягкий предел
но бета. 84
5.3 Зависимость критического р от безразмерных параметров. 87
5.4 Изучение роли пилообразных колебаний в механизме дестабилизации неустойчивостей, ограничивающих величину бета. 90
5.5 Изучение зависимости критического бета от профиля коэффициента запаса устойчивости в токамаке. 92
Выводы к главе 5. 94
Заключение. 95
Список литературы. 97
4
Введение.
Прогресс в исследованиях физических процессов в плазме токамака за последние десятилетия позволяет с оптимизмом смотреть на перспективу создания термоядерного реактора на базе установки этого типа [1]. Факторы, определяющие область достижимых параметров плазмы токамака, во многом обусловлены МГД неустойчивостями, т.е. неустойчивостями описываемыми в рамках магнитогидродинамической модели плазмы. Так, различные аспекты МГД устойчивости накладывают ограничения на величины тока, плотности, давления, градиента давления в плазме токамака. Таким образом, они, наряду с энергетическим удержанием в плазме, определяют максимальный энергетический выход. В определённых условиях развитие МГД неустойчивостей может значительно ухудшать энергетическое удержание. Среди проявлений МГД неустойчивостей особое место занимают релаксационые процессы, которые могут как представлять опасность с точки зрения ухудшения характеристик плазмы, так и являться естественным инструментом управления распределениями плазменных параметров (а также примесей). Особую опасность среди проявлений МГД неустойчивостей представляет собой неустойчивость большого срыва, которая приводит к прекращению плазменного разряда и может вызывать повреждение элементов конструкции токамака. Таким образом, представляется крайне важным уметь предсказывать развитие МГД неустойчивостей, обладать способами их контроля, а также смягчения последствий их проявлений.
Актуальность работы.
Нагрев и генерация тока СВЧ волнами привлекают особое внимание в качестве инструментов стабилизации МГД неустойчивостей, прежде всего из-за высокой локальности вклада мощности и широких возможностей изменять пространственное положение зоны поглощения мощности по желанию экспериментатора. Изучение физических механизмов
5
воздействия СВЧ нагрева и генерации тока на МГД неустойчивости и разработка методов их контроля на основе таких механизмов является актуальной задачей с точки зрения обеспечения стабильной работы токамака-реактора. Интерес представляет также исследование проблем МГД устойчивости в широком диапазоне операционных режимов (в том числе в режимах с профилированием тока), которые могут быть получены при помощи СВЧ нагрева и генерации тока.
Объектами выносимого на защиту исследования являются крупномасштабные МГД неустойчивости во внутренних областях плазменного шнура. Образование крупномасштабных островных структур, которое ассоциируется с развитием резистивных тиринг-мод, может приводить к деградации энергетического удержания и даже, в определённых условиях, ограничивать величину газокинетического давления в токамаке. Кроме того, развитие таких неустойчивостей обычно предшествует большому срыву. До настоящего времени механизмы воздействия СВЧ нагрева и генерации тока на тиркнг-моды остаются недостаточно изученными. Актуальной проблемой является также изучение механизмов и предсказание порогов развития тиринг-мод в режимах с высоким бета (отношение газокинетического давления к магнитному). Пилообразные колебания занимают особое место среди релаксационных процессов, так как они наблюдаются в большинстве операционных режимов токамака. Способность пилообразных колебаний воздействовать на МГД устойчивость в различных областях плазменного шнура, а также служить естественным инструментом перемешивания частиц в центре плазменного шнура делают актуальной разработку методов стабилизации пилообразных колебаний, а также управления их амплитудой и периодом.
Мели н задачи работы.
1) Исследование пилообразных колебаний в плазме с СВЧ генерацией тока. Исследование стабилизации пилообразных колебаний при помощи генерации тока СВЧ волнами.
6
2) Изучение физических механизмов воздействия СВЧ наг рева на тиринг-моду в широком диапазоне операционных режимов.
3) Исследование эффективности использования СВЧ мощности для предотвращения срыва по предельной плотности в зависимости от радиальной локализации её вклада.
4) Исследование явления ограничения величины бета неустойчивостями во внутренних областях плазменного шнура. Исследование зависимости величины критического для развития неустойчивостей бета от параметров плазмы и профиля разрядного тока.
Научная новизна.
Впервые показана возможность подавления пилообразных колебаний при помощи генерации тока СВЧ волнами. Обнаружен и описан новый тип пилообразных колебаний. Стабилизирующее воздействие немодулироваиного СВЧ нагрева на тиринг-моду описано в рамках модели возмущения резистивности в О-точке магнитного острова. Исследована зависимость эффективности предотвращения срыва по предельной плотности при помощи СВЧ нагрева от локашзации вклада СВЧ мощности. Обнаружено и исследовано явление мягкого предела по бета в режимах с высокими значениями коэффициента запаса устойчивости на границе плазменною шнура. Исследованы зависимости величины критического бега от параметров плазмы при нагреве только электронной компоненты в условиях токамака с круглым сечением.
Научная и практическая ценность.
1) Исследование стабилизации пилообразных колебаний при помощи СВЧ генерации тока представляет интерес для разработки методов контроля пилообразных колебаний в токамаке-реакторе. Обнаружение нового типа пилообразных колебаний может иметь значение с точки зрения изучения физики транспортных процессов в центральных областях плазменного шнура.
7
2) Результаты исследования воздействия СВЧ нагрева на неустойчивость тиринг-моды в широком диапазоне операционных режимов имеют значение для разработки методов подавления неустойчивостей, вызывающих деградацию удержания, а также методов предотвращения большого срыва в токамаке.
3) Исследования ограничения величины бета неустойчивостями во внутренних областях плазменного шнура важны для лучшего понимания физических механизмов развития таких неустойчивостей, а также для разработки способов предотвращения их развития.
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в диссертации, обусловлена
большим объёмом полученного экспериментального материала, современными методами
моделирования, использованными в ходе исследований, детальным сравнением с
результатами, полученными на других установках.
Автор выносит на защиту
1) Результаты исследований пилообразных колебаний в режимах с СВЧ генерацией тока.
2) Результаты исследований по стабилизации пилообразных колебаний при помощи СВЧ генерации тока.
3) Результаты исследований по стабилизации тиринг-моды (2,1) при помощи СВЧ нагрева.
4) Результаты исследования эффективности использования СВЧ мощности для предотвращения срыва по предельной плотности в зависимости от положения ЭЦ резонанса.
5) Результаты исследования ограничения величины бета в условиях СВЧ нагрева в режимах с высокими рр (отношение газокинстического давления к давлению полоидального магнитного поля).
6) Результаты исследования зависимости предельной величины бета от профиля коэффициента запаса устойчивости, а также от наличия пилообразных колебаний в условиях установки Г-10.
- Київ+380960830922