Способ высокочастотного нагрева плазмы

 

СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ПЛАЗМЫ,преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиевой, находящейся в неоднородном магнитном поле тороидальной ловушки, путем возбуждения быстрых магнитозвуковых волн ШЗ на частоте, соответствующей двойной ионно,й циклотронной частоте дейтерия вблизи оси плазменного шнура, отличающийся тем что, с целью повышения эффективности нагрева, в плазму вводят добавку примесньпс ионов с величиной отношения зарядового числа к массовому числу 2 f Л выби .раемого в соответствии с неравенстВОМ 0,50

(j9) ((1) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А (5ц4 Я 21 В 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTGPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3710118/24-25 (22) 15.03.84 (46) 15.08.85. Бюл. N- 36

{72) A.Â. Лонгинов, С.С.Павлов и К.H. Степанов (53) 533.9(088.8) (56) 1. Лонгинов А.В. Степанов К.Н.

О высокочастотном нагреве неоднородной плазмы. Препринт ХФТИ, 72-1, 72-2, Харьков, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 342560, кл. Н 05 Н 1/00, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 719332, кл. G 21 В 1/00, !978.

4. Степанов K,Í. О циклотронном поглощении волн в плазме. Журнал экспериментальной и теОретической физи- . ки, 38, 265, 1960 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО

НАГРЕВА ПЛАЗМЫ,преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиевой, находящейся в неоднородном магнитном поле тороидальной ловушки, путем возбуждения быстрых магнитозвуковых волн БМЗ на частоте, соответствующей двойной ионной циклотронной частоте дейтерия вблизи оси

% плазменного шнура, о т л и ч а юшийся тем что, с целью повышения эффективности нагрева, в плазму вводят добавку примесных ионов с величиной отношения зарядового числа к массовому числу Z /Я, выби.раемого в соответствии с неравенст вом

0 50(1 00- - — — ) < Z /Ä с 0 50

1 50

Ф Э ° (p t о

Э Э где a — - радиус плазмы

R — большой радиус тора (— запас магнитогидродинамической устойчивости, 3 и концентрацией, превьппающей критическое значение

l — — (1- 22/М )

Т Чт -3/2 Сне

А0

Ф

Ъю где Т / T — отношение температуры основных ионов (дейтерия)

Фина к температуре ионов примеси, Чт — туфовая скорость дейтоиов Ж, и) - угловая частота BN3-волны ® и

Я0 — большой радиус тора .

Изобретение относится к способам нагрева плазмы и мажет быть использована как метод дополнительного нагрева плазмы в тораидальных лавушках, в том числе в термоядерном реак- > торе.

Известен способ нагрева, при ка.тарам, например, в дейтериенай плазме возбуждают быстрые магнитаэнуковые (БМЗ) волны на частоте, равной цик1Î лотронной (ЦЧ) частоте дейтонов в центре плазменного шнура. В этом случае можно обеспечить высокакаэффективнь|й ввод высокочастотной (ВЧ) энергии в плазму 1 .

Однако такой метод нагрева является недостаточно эффективным из-за относительно слабого поглощения БМЗ волны в зоне ионного циклотронного резонанса (HItP) для дейтерия. Причиной слабого поглощения является следующее свойство БМЗ: в зоне ИЦР электромагнитное поле имеет почти круговую поляризацию, при этом направление вращения вектора электрического поля противоположно направлению нращения резанансньгх ионов.

Известен также способ нагрева плазмы, при котором с целью обес- З0 печения эффективного поглощения энергии возбуждаемой БМЗ волны н глубине плазмы вводят в плазму небольшую добавку легких примесных иОнаВ а частоту Волны Выбирают рав- Я ной ЦЧ для нанон добавки, Например,, в дейтериевую или дейтерий-тритиевую плазму нводят малую добавку водорода (2) либо изотопа гелия (Не ) (3). Поскольку поляризация <0 волны определяется основными ионами, для которых ЦЧ существенно ниже частоты возбуждаемой БМЗ волны, та поляризация.этой волны оказывается эллиптической. В этом случае по-

Однако для обеспечения достаточ- 55 но высокой эффективности передачи энергии от резонансных ионов к ионам основного газа при использовании этого метода необходимо выбирать довольно высокие концентрации ионов добавки,(выше 57,), в противном слу«ае из-за высокой удельной мощности поглощаемой ионами добавки, возможен отрыв температуры ионов добавки ат температуры основного газа, приводящий к резкому ослаблению эффективности передачи ВЧ-энергии ат ионов добавки к основным ионам.

При таком выборе вблизи резонансной зоны появляется зона трансформации 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 достигаемому результату к изобретению является способ высокочастотного нагрева плазмы, преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиенач, находящейся

I н неоднородном магнитном поле, например н тароидальнай лавушке (токамаке или стеллараторе), путем возбуждения быстрых магнитозвуковых волн на частоте, соответстнующей двойной ионной ЦУ дейтерия вблизи аси плазменного шнура P4).

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-волны с достаточно большой фазоной

1157971

0 50(1 00 — -> — - )< Z/ßñ 0 50

1 504 о р р где a — радиус плазмы

Ap — большой радиус тора; — запас магнитогидродинамической устойчивости, и концентрацией, превышающей критическое -значение

1 Т UY l 221-3/2

1 / 1 )1 к = р T

I где Т /Т вЂ” отношение температуры основных ионов (дейтерия) к температуре ионов тяжелой примеси; Мт — тепловая скорость дей- 50 тонов;

ы - угловая частота БМЗ-волны,,R - большой радиус тора.

В этом случае БМЗ-волна, расспро- 55 страняясь от периферии плазменного шнура, проходит зону двойного цикло- тронного резонанса (ЦР) для дей35

45 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- 10 явясь к периферии плазмы, уносит значительную часть энергии, выделяющейся затем в периферийных областях плазменного шнура. Такой эффект приводит к существенному сни- 15 жению эффективности нагрева с исполь зованием поглощения БМЗ-волны на двойной ЦЧ.

Целью изобретения является повышение эффективности нагрева плазмьi. 20

Поставленная цель достигается тем, что в способе высокочастотного нагрева плазмы, преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиевой, находящейся в неоднородном магнит- 25 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- 30 шения зарядового числа к массовому числу 2/ 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 в стсрону увеличения магнитного поля. Благодаря выбору добавки с отношением 2/Я 8 0,50 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 отно1,50и шения 2/Я ) 0,50(1 р00 — обес-!

Я1o печивает выделение энергии в центральной области плазменного шнура внутри эоны, в которой происходит перемешивание плазмы эа счет релаксационных магнитогидродинамических колебаний (внутри так называемой

1 -зоны). При указанной минимальной величине отношения 7/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 приб

5 меси с отношением

0,50(1,00 — - — — г/А C 0,50

1 50а

А кр 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 .Z/ß, удовлетворяющим веравеяству 0,50(1,00- )( (..А (0,50, как специальная делена у /А правленная (для повышения эффективности ВЧ-нагрева) добавка, ранее нигде не использовалась. Кроме того, в отличие от известного способа нагреаа плазмы, где используются до)15797! банки относительно легких примесей и дейтериеную плазму (нодорода 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 2

На фиг. 1 показан плазменный шнур токамака, поперечный разрез на фиг. 2 — схема распространения

БМЗ-волны и поглощения ВЧ-энергии н плазме.

2О

Система ввода размещается с внешней стороны тора, а возбуждение

БМЗ-волны 2 в плазменном шнуре 3

25 осуществляется со стороны слабого магнитного поля. Картина распространения БМЗ-волны н поглощения ВЧ-энергии н плазме дана на фиг, 2, на которой показана зависимость поперечного показателя преломления для быстрой и медленной плазменной нолн 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 БМЗ-волны 2, распространяясь внутрь плазменного шнура, достигает зоны 5 двойного ионного ЦР для дейтерия и частично поглощается н 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 н этой области

Медленная плазменная волна, проходя через зону 6 двойного ЦР для примеси, 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 медленной плазменной волны, распространяющейся к зоне двойного ионного ЦР для примеси, частично поглощается в зоне двойного, ионного ЦР для дейтерия и частично проходит к границе плазмы, расположенной со стороны антенны

В результате нескольких таких отражений от границ -плазмы энергия возбужденной быстрой водны выделена н областях двойных ионных ЦР для ионов основного газа (дейтерия) и примесных ионов.

В качестве примера конкретного испольэонайия предлагаемого способа рассмотрим возбуждение, распространение и поглощение БМЗ-волны в плазменном шнуре токамака с параметрами "Т-10" (большой радиус тора

Р =150 см, радиус плазменного шнура м = 35 см, магнитное поле в центре шнура g> = 30 кЭ1. В дейтерие ную плазму токамака с темйерату рой дейтонон Т 11 1 кэ ч и элек3

1Э у тронной концентрацией, Не = 7,! 1О см вводится добавка изотопа - неона (1б

° He . Частота возбуждаемой волны выбирается равной 44 МГц. Такое значение частоты обеспечивает расположение зон двойного ЦР для дейтонон и неона на расстоянии

7,8 см от центра шнура. Процессы возбуждении и поглощения БМЗ-волны, имеющие место н этом случае, рассмотрим, используя результаты численного эксперимента, моделирующего распространение и поглощение БМЗ-волны в экваториальной плоскости 4.

Расчеты проводят в цилиндрической системе координат с центром в точке пересечения оси тора с экваториальной плоскостью, причем основное магнитное поле в такой геометрии направлено по .углу ч .. Профиль плотности для плазмы и ее температуру при этом выбирают параболическими, а магнитное поле — изменяющимся по закону И = Но Й /Р. Рачеты проведены для случая возбуждения отдельной аэимутальной моды по радиусу тора с номером e m -- 7. Длина волны в этом случае вдоль направления магнитного поля в точке двойного

ЦР для дейтонов 7! = 141,6 см, а

11 продольный показатель преломления

N„1= 4,8.

Рассмотрим случай, когда волна возбуждается на частоте> равной

1157971

35 двойной 1 Ч для ионов дейтерия при

Я = 157,8 см в отсутствие ионов добавки тяжелой примеси (случай, аналогичный прототипу). При выбранных значениях продольного показате5 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 распроУ

15 страняясь поперек плазменного шнура, проходит зону двойного ЦР для дейтонов, расположен- ro 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 электромагнитного 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 пе30 риферии плазмы. Хотя эта волна имеет более сильное поглощение за счет черенковского затухания на электронах по сравнению 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 изо21 топа неона „ М6 с относительной концентрацией O,ЗЕ и температурой

6 кэВ. Картина распространения

БМЗ-волны в обоих случаях во многом . 5 совпадает. Таким же образом происхо-. дит генерация плазменной волны. Од-! нако введение столь небольшой добав-, ки примеси существенным образом изменяет картину поглощения волны.

Теперь плазменная волна, проходя через зону двойного ИЦР для изотопа неона (R = 142 2 см), практически полностью поглощается в ней. Лишь незначительная доля общей энергии (около 27), переносимой плазменной волной, проходит через зону двойного ИЦР для примеси и выделяется на периферии плазменного шнура °

Таким образом, в данном случае примерно 98Х всей энергии выделяется в центральных областях плазменного шнура, причем 263 в зоне двойного ИЦР для дейтерия. и 72Х в зоне двойного ИЦР для примеси.

Для обеспечения высокой эффективности нагрева при использовании предлагаемого способа необходимо обеспечить условия, при которых медленная плазменная волна, проходя через зону двойного ИЦР для тяжелой примеси, полностью поглощается в этой зоне. Такие условия выполняются, если относительная концентрация примескых ионов превышает некоторое критическое значение кр о где T(T — отношение температуры ос-! новных ионов (дейтерия) к температуре ионов тяжелой примеси

Ч вЂ” тепловая скорость дейтонов м> — угловая частота БМЗ-волны.

Это выражение получено из условия, что оптическая толща должна быть больше или порядка единицъ .

В то же время существенное превышение критического значения

"P для относительной концентрации нежелательно из-за увеличения потерь энергии из плазмы за счет излучений, обусловленных торможением электронов на тяжелых примесях. В частности, для реактора значение относительной концентрации для тяжелой примеси. ограничено сверху радиационными потерями. Отсюда также следует, что в предлагаемом способе предпочтительным является использование тяжелой добавки с невысоким значением заряда 2..

Как видно иэ этого примера, полное поглощение энергии в центре

Составитель В. Чуянов

Техред С.Мигунова Корректор Л. Бескид

Редактор Л. Утехина

Заказ 1692 Тираж 56 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

ППП "Патент". плазменного шнура может быть обеспечено введением тяжелой добавки с очень малой концентрацией. В данном примере приращение эффективного заряда в плазме, которое вычисляется по формуле:.62 Ф 2 hi /g (; — зарядное число иона добавки, i n — отI носительная концентрация добавки), примерно равно 0,3, что не приводит 10 к существенндму увеличению потерь энергии из плазмы sa счет роста излучения. В то же время, несмотря на малую концентрацию ионов примеси, передача энергии, поглощаемой резо- 15 нансными примесными ионами, к основМ ным ионам будет достаточна эффективна из-за высокого значения для примеси.

Преимущества способа заключают- 20 ся в том, что при использовании приме . сей с отношением ф/Д, соответствую1,Иа щим неравенству 0,50(1,00,у- )

1 1 о

g/ 1 (0,50, существенно повышается эффективность нагрева плазмы.

В случае возбуждения отдельной азимутальной моды с г1 4,8 (в эо" не двойного ЦР для дейтонов) эффективность нагрева повышается почти в 3 раза, В реальных условиях в дейтериевой плазме возможно наличие некоторой добавки водорода. В этом случае эффект возбуждения медленной плазменной волны в зоне ИЦР для водорода и двойного ионного ЦР для дейтерия, уносящей энергию на периферию плазмы, оказывается черезвычайно сильным.

Использование в этих условиях добавки тяжелых примесей позволяет обесчечить высокую эффективность нагрева.