ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Роль электронного компонента в экспериментах при
нижнегибридном нагреве плазмы. Обзор литературы и постановка задачи.
1.1 Нижнегибридный нагрев на токамаках. Область применения.
1.2 Эксперименты но НГ нагреву на ФТ-2.
1.3 Томсоновская диагностика в исследованиях высокотемпературной плазмы
1.3.1 Введение
1.3.2 Основные компоненты томсоновской диагностики и принципы их работы
1.3.3 Обзор существующих систем томсоновской диагностики
1.3.4 Требования к диагностике
1.3.5 Принципы многопроходного внутрирезонаторного зондирования плазмы.
1.4 Постановка задачи
ГЛАВА 2. Многопроходное внутри резонаторнеє зондирование (МВЗ)
плазмы в томсоновской диагностике.
2.1 Реализация на ФТ-2
2.1.1 Токамак ФТ-2.
2.1.2 Система зондирования
2.1.3 Система сбора света
2.1.4 Точность измерений
2.1.5 Измерения эволюции Те на ФТ-2
2.2 О возможности применения многопроходного внутрирезонаторного зондирования на больших установках
2
2.3 Реализация внутрирезонаторного подхода в двухпроходной системе зондировании на токамаке ТЕХ 1'OR.
2.4 Выводы и перспективы
ГЛАВА 3. О влиянии электронной температуры на эффективность
взаимодействия НГ волны с плазмой за счёт механизма параметрического распада.
3.1 Эксперимент с подавлением режима генерации ІІГ тока плазмы.
3.2 Анализ результатов
3.3 Выводы
ГЛАВА 4. Динамика электронного компонента в режимах с улучшенным удержанием энергии на токамаке ФТ-2
4.1 Эффективный нижнегибридный нагрев на токамаке ФТ-2.
4.2 Влияние нижнегибридного нагрева плазмы на электронный перенос в токамаке ФТ-2
4.3 Влияние быстрой динамики тока плазмы на электронный перенос в плазме токамака ФТ-2
4.4 Общие закономерности подавления электронного теплового переноса в динамических режимах токамака ФТ-2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3
Введение
Исследования по управляемому термоядерному синтезу (УТС) в мире ещё на ранней стадии своею развития пришли к необходимости развития методов дополнительного нагрева плазмы, без которых невозможно достижение условий термоядерной реакции. Применение дополнительных к джоулеву нагреву способов нагрева плазмы началось довольно давно (в 70-е годы). С развитием методов и способов увеличения энергосодержания плазмы практически сразу пришло понимание того, что для повышения эффективности нагрева недостаточно технологического усовершенствования источников нагрева (увеличения мощности, длительности импульса нагрева), так как энергетическое время жизни плазмы падает с ростом вкладываемой мощности тн — Р 5. Крайне важным с точки зрения эффективности дополнительного нагрева является получение режимов разряда, которые бы обеспечили наиболее эффективную передачу энергии от внешнею источника (электромагнитной волны или частиц) к ионам и электронам плазмы.
Качественным скачком в поиске эффективных сценариев развития плазменного разряда явилось обнаружение режимов с улучшенным удержанием энергии на различных плазменных установках. Начало этому положило наблюдение так называемой Н-моды гга немецком токамакс АЗОЕХ в 1982г. [1], после чего началось акгииное исследование режимов с улучшенным удержанием и способов их получения на различных установках. Важным этапом в развитии этих исследований стало обггаружение периферийного и внутреннего транспортных барьеров, образование которых существенным образом влияло на качество удержания в плазме. В наше время изучение транспортных барьеров, режимов с улучшенным удержанием, механизмов перехода и отключения этих режимов, являются приоритетными направлениями исследований в УТС во всём мире.
На токамаке ФТ-2, главным направлением исследований которого было изучение взаимодействия волн нижнегибридного диапазона с плазмой, в свое время также были обнаружены режимы с улучшенным удержанием в различных сценариях разряда, например, при нижнегибридном (НГ) нагреве плазмы [2]. Однако о переходе в новое качественное состояние плазмы в этих экспериментах можно было судить лишь но косвенным признакам: по падению свечения линии Нр , по подавлению турбулентности, по росту глобального энергосодержания на основании данных диамагнитных измерений. Для подтверждения факта перехода в состояние с улучшенным удержанием, а также для понимания механизмов этого перехода
4
требовался анализ локального энергобаланса плазмы. что в свою очередь требовало проведение локальных измерений основных параметров плазмы, в том числе электронной плотности и температуры. Проводимые на тот момент измерения Тс рентгеновской диагностикой из-за низкой достоверности результатов не позволяли провести анализ электронного энергобаланса.
Исходя из этого была поставлена задача исследования динамики локального электронного энергобаланса. Это потребовало проведения на токамаке ФТ-2 достоверных измерений электронной температуры, причём в динамическом режиме с высоким пространственным разрешением, поскольку проводимые на токамаке эксперименты, например, с НГ нагревом или с подбросом тока плазмы, характеризуются быстрым изменением плазменных параметров. Термин «быстрые» здесь и далее по тексту означает проведение измерений эволюции электронного компонента при быстрых нестационарных процессах с характерными временами порядка нескольких сотен микросекунд. Единственной диагностикой, которая может обеспечить высокую точность локальных измерений эволюции электронной температуры с хорошим пространственным разрешением, является томсоновская диагностика.
Выполнение физической про1раммы потребовало в первую очередь создания диагностики томсоновского рассеяния па токамаке ФТ-2, позволившей проводить измерения электронной температуры с частотой следования измерительных импульсов до 10-15 кГц. Столь высокого временного разрешения в сочетании с высоким пространственным разрешением диагностики и точностью измерений удалось добиться благодаря развитию метода [3, 4], основанного на лазерном многопроходном внутрирезонагорном зондировании плазмы.
Благодаря данным томсновской диагностики удалось подтвердить влияние электронной температуры на характер взаимодействия НГ волны с плазмой |5], обнаружить эффективный нагрев электронов [6] и формирование транспортного барьера [7, 8] при вводе нижнегибридной мощности в плазму, а также провести анализ локального электронного энергобаланса плазмы в динамических режимах токомака ФТ-2 [7].
Система лазерного внутрирезонаторного зондирования плазмы была разработана и установлена также на токамаке ТЕХТСЖ [9]. Использование многоимпульсной лазерной системы и быстрой ТУ камеры для регис трации спектров рассеяния позволило впервые измерить быструю эволюцию профилей электронной температуры и плотности вдоль всего диаметра плазмы одновременно с высокой
5
частотой и пространственным разрешением. Такие уникальные возможности нашли эффективное применение для исследования подавления магнитных островов при ЭЦР нагреве [10, 11]
Работа выполнена главным образом в лаборатории физики высокотемпературной плазмы ФТИ им. Иоффе РАН, а также на токамаке TEXTOR в институте физики плазмы Juelich, Germany.
Основные положении, выносимые на защиту:
1. Разработка и создание системы томсоновской диагностики на токамаке
ФТ-2, основанной на принципах внугрирезонаторного зондирования, позволяющей проводить измерения эволюции электронной температуры и плотности с частотой до 10-15 кГц.
внутрирезонаторного зондирования плазмы для томсоновской диагностики токамака ТЕХТСЖ. в которой реализована возможность одновременного высокого пространственного разрешения (измерения эволюции до 100 пространственных точек на профилях электронной температуры и концентрации) с высоким временным разрешением (частота проведения измерений ~ 5 кГц).
2.
Разработка и создание системы лазерного двухпроходного
3.
Эффект влияния снижения электронной температуры при постоянной плотности плазмы на переход режима поглощения мощности инжисгибрндных волн от электронного к ионному, связанного с возбуждением параметрической распадной неустойчивости на периферии плазмы.
4.
Обнаружение эффекта существениого роста электронной температуры при нижнегибридном нагреве плазмы в режиме взаимодействия с ионным компонентом.
5. Эффскг подавления электронного теплового переноса в центральной
части плазменного шнура в экспериментах с НГ нагревом и быстрым подъёмом тока плазмы на токамаке ФТ-2.
6
Новизна работы
Создана система томсоновской диагностики для токамака ФТ-2 с высоким временным разрешением измерений электронной температуры и плотности, построенная на принципах многопроходного внутрирезонаторного. зондирования плазмы.
Впервые показана возможность применения лазерного внутрирезонаторного зондирования плазмы на токамаках среднего размера.
Впервые создана томсоновская диагностика, совмещающая высокое пространственное разрешение с большой частотой измерений, работающая на токамаке TEXTOR
Впервые обнаружен значительный рост энергосодержания электронного компонента при НГ нагреве плазмы и формирование внутреннего транспортного барьера в режиме взаимодействия с ионами.
Впервые обнаружено подавление электронного переноса в экспериментах с нижнегибридным нагревом и быстрым подъёмом плазменного тока во внутренней части плазменного шнура токамака ФТ-2. Найдена корреляция между снижением электронного теплового переноса в центральной области щнура, увеличением шира скорости полоидального вращения плазмы и подавлением турбулентности, измеренным во внешней области разряда.
Достоверность научных результатов
Результаты диссертационной работы экспериментально обоснованны. Достоверность результатов обеспечивается многократным повторением экспериментов и высокой точностью измерений. Кроме того, имеется хорошее соответствие с теоретическими предсказаниями.
Практическая значимость работы
Создание томсоновской диагностики на токамаке ФТ-2 с высоким временным и пространственным разрешениями измерений электронной температуры и плотности позволило серьёзно продвинуться в понимании механизмов взаимодействия нижнегибридных волн с плазмой. Новая диагностика позволила провести подробный анализ переходов к режимам с улучшенным удержанием в динамических экспериментах на токамаке ФТ-2. Продемонстрирована возможность применения внутрирезонаторного зондирования плазмы в томсоновской диагностике на токамаках средних
7
размеров. Это открывает возможность применения метода и на более крупных плазменных установках для создания томсоновскон диагностики с высокой частотой и пространственным разрешением.
Краткое содержание работы.
В Главе 1 дан обзор экспериментов по нижнегибридному нагреву на различных установках, в том числе и на ФТ-2. Во второй части этой главы проводится обзор диагностических систем томсоновского рассеяния, их характерных особенностей, обсуждаются тенденции развития диагностики. Сформулированы задачи данной работы.
В Главе 2 описан принцип многопроходного внутрирезонаторного зондирования (МВЗ) плазмы, его реализация в системе зондирования на токамакс ФТ-2, описание диагностической аппаратуры и основные свойства диагностической системы. Вторая часть главы 2 посвящена разработке и тесту методики МВЗ ;щя больших плазменных установок. В третьей части главы описывается реализация системы двухпроходного зондирования на токамакс ТИХТСЖ, дано описание системы и первые физические результаты.
Глава 3 посвящена исследованию влияния электронной температуры на эффективность взаимодействия НГ волны с плазмой за счёт механизма параметрического распада. На примере эксперимента с отключением НГ генерации тока показана роль электронной температуры в этих процессах.
В первой части Главы 4 говорился об экспериментах но эффективному ИГ нагреву плазмы на ФТ-2. Вторая часть этой главы посвящена исследованию влияния нижнегибридного нагрева плазмы на электронный перенос в токамакс ФТ-2, а третья часть - исследованию динамики электронного компонента в режимах с быстрым подъёмом тока. Во всех режимах анализируется корреляция электронного теплового переноса с динамикой расчётных значений шира скорости полондалыюго вращения плазмы и уровнем турбулентности. Обсуждаются общие закономерности подавления электронного теплового переноса в динамических режимах токамака ФТ-2.
В Заключении приведены основные итоги работы и выводы.
8
Апробации работы.
В диссертацию включены результаты, полученные в период с 1996 по 2007 гг.
Результаты работы представлялись в 30 докладах на международных конференциях:
1) Kantor М.Yu., Koupricnko D.W. Lashkul S.I., Zavadsky V.M., Photon recycling Thomson scattering diagnostics for precise measurements of electron temperature evolution at fast transient processes in plasma of FT-2 tokamak, Proceed. 23rd EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. Kiev, 1996, v. HI, p 1100-1103.
2) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Bulanin V.V. et al. Improved core confinement study under fast current ramp up in the LHH experiment at FT-2 tokamak. Proceed. 24lh EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics.»Berchtesgaden, 1997, V. II, p. 669-672.
3) Budnikov V.N., Dyachenko V.V., Esipov L.A. et al. The effect of plasma boundary on absorption of lower hybrid waves and plasma improved confinement in FT-2 tokamak. Proceed. 24lh EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics., Berchtesgaden, 1997, V. II, p. 681-684.
4) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Bulanin V.V. et al. Fast current ramp up in the LIII I experiment at FT-2 tokamak and improved core confinement study. Proceed. 2-nd Europhysics Topical Conf. on Radio Frequency Heating and Current Drive of Fusion Devices, Brussels, January 1998, p. 161-І64.
5) Lashkul S.I., Budnikov V.N., Chechik E.O. et al. The plasma boundary effect study on absorption of lower hybrid waves and plasma improved confinement in FT-2 tokamak. Proceed. 2-nd Europhysics Topical Conf. on Radio Frequency Heating and Current Drive of Fusion Devices, Brussels, January 1998, p.165-168.
6) Budnikov V.N.. Chechik E.O., Dyachenko V.V. et al. Study of the linear and parametric absorption of lower hybrid waves in plasma on the FT-2 tokamak. Proceed. 25th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics., Prague, 1998, p. 1356-1359.
7) Kantor M.Yu., Borevich A.A., Budnikov V.N. et al. The application of intracavity Thomson scattering to the study of fast transient plasma processes. Proceed. 251h EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics., Prague, 1998, p. 1566-1569.
8) Lashkul S.I., Budnikov V.M., Bulanin V.V. ct al. The non-local transport effect study in fast current ramp up experiment at the FT-2 tokamak. Proceed. 25th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics., Prague. 1998, p.l 880-1883.
9) A.A.Borevich, V.N.Budnikov, E.O.Chechik et al. A study of the LHCD termination mechanism in the FT-2 tokamak. Proceedings 26th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Maastricht, 1999, p. 1789-1792.
10) S.l. Lashkul, V.N. Budnikov, A.A. Borevich et al. Mechanism of the transport barriers formation at lower hybrid heating in the FT-2 tokamak experiments. Proceedings of 26th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Maastricht, 1999, p. 1729-1732.
1 l)M.Yu. Kantor, C.J. Barth, D.V. Kouprienko, H.J. van der Meiden. Test of a periodic multipass-intracavity laser system for the TEXTOR multiposition Thomson scattering diagnostics. Proceedings of 27th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Budapest, 2000, P.l.113.
12) Lashkul S.L, Budnikov V.N., Borevich A.A. et al. Transport barrier dynamics with Lower Hybrid heating in the FT-2 tokamak experiments. Proceedings of 27th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Budapest, 2000, P.2.012.
13) Lashkul S.L, Budnikov V.N., Dyachenko V.V. et al. Formation of Transport barriers in Lower Hybrid experiment at FT-2. 11th International Toki Conference on plasma physics and controlled nuclear fusion. 2000, Toki-cily, Japan.
14) S.l.Lashkul, V.N.Budnikov, V.V.Dyachenko, L.A.Esipov, E.Z.Gusakov, E.R.Its, M.Yu.Kantor, D.V.Kouprienko, A.Yu.Popov, S.V.Shatalin, E.O.Vekshina.Radial electric
9
- Київ+380960830922