Способ высокочастотного нагрева плазмы Советский патент 1985 года по МПК G21B1/00 

Р1зобретекие относится к способам нагрева Ьлазмы и может быть использовано как метод дополнительного нагрева плазмы в тороидальных ловуш ках, в том числе в термоядерном рел торе. Известен способ нагрева, при ко тором, например, в дейтериевой плаз возбуждают быстрые магнитозвуковые (БМЗ) волны на частоте, равной диклотронной (114) частоте дейтонов в центре плазменного шнура. В этом случае можно обеспечить высококоэффективный ввод высокочастотной (ВЧ энергии в плазму 01 Однако такой метод нагрева явля ется недостаточно эффективным из-за относительно слабого поглоще ния ВИЗ волны в зоне ионного циклотронного резонанса (ИЦР) для дей терия. Причиной слабого поглощения является следующее свойство НМЗ: в зоне электромагнитное поле име почти круговую поляризацию при этом направление вращения вектора электрического поля противоположно направлению вращения резонансных ионов о Известен также способ нагрева плазмы, при котором с целью обеспечения эффективного поглощения энергии возбуждаемой БМЗ волны в глубине плазмы вводят в плазму небольшую добавку легких примесных ионов, а частоту волны выбирают ра ной ЦЧдля ионов добавкио Например в дейтериеву о или дейтерий-тритиевую плазму вводят малую добавку водорода L21 либо изотопа гелия (Не-) Сз, Поскольку поляризация волны определяется основиьми ионам для которых 1ГЧ существенно ниже ча тоты возбуждаемой БМЗ волны, то по ляризация, этой волны оказывается эллиптической, В атом случае появляется существенная составляющая вектора электрического поля, которая вращается в направлении вращения примесных ионов. Это приводит к усиленному поглощению электромаг нитной волны за счет ИЦР на примесных ионах, которые затем за сче кулоновских .столкновений передают свою энергию основным ионам. Однако для обеспечения достаточ™ но высокой эффективности передачи энергии от резонансных ионов к иона основного газа при использовании этого метода необходимо выбирать довольно выс-окие концентрации ионов добавки.(выше 5%), в противном случае из-за высокой удельной мощности поглощаемой ионами добавки, возможен отрыв температуры ионов добавки от температуры основного газа, приводящий крезкому ослаблению эффективности передачи ВЧ-энергии от ионов добавки к основным ионам. При таком выборе вблизи резонансной зоны появляется зона трансформации быстрой волны в плазменную, что приводит к возбуждению плазменной волны, уносящей значительную часть энергии на периферию плазмы. Это ведет к снижению эффективности такого метода нагрева. Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ высокочастотного нагрева плазмы, преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиевоч, находящейся в неоднородном магнитном поле, например в тороидальной ловушке (то.камаке или стеллараторе), путем возбуждения быстрых магнитозвуковых волн на частоте, соответствующей двойной ионной ЦУ дейтерия вблизи оси плазменного шнура J 1Такой метод нагрева перспективен для использования 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 ПЧ для ионов плазмы. В этой зоне благодаря конечной тепловой скорости резонансных частиц и относительно небольшой длине БМЗ-волны поперек магнитного поля возникает 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 выше, чем при использовании БМЗ-волны с частотой, равной ЦЧ.-,, Недостатком этого метода является то, что при возбуждении БМЗ-волны с достаточно большой фазовой скоростью вдоль магнитного ПОЛЯ вблизи двойной ионной циклотронной зоны возникает зона, в которой поперечный показате:ть преломления быстрой волны сравнивается с поперечным показателем преломления пла менной волны (в точке трансформации) , В этой зоне происходит транс формация БМЗ-волны в медленную пла менную волну, которая, распространяясь к периферии плазмы, уносит значительную часть энергии, вьщелякмдейся затем в периферийных областях плазменного шнура. Такой эффвкт приводит к существенному сн жению эффективности нагрева с испо зованием поглощения БМЗ-волны на двойной ЦЧ. Целью изобретения является повы шение эффективности нагрева плазмЫ Поставленная цель достигается тем,- что в способе высокочастотног нагрева плазмы, преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиевой находящейся в неоднородном магнитном поле тороидальной ловушки, путем возбуждения БМЗ-волн на частот соответствующей двойной ЦЧ для ион дейтерия, в плазму вводят добавку примесных ионов с величиной отношения зарядового числа к массовому числу .Z//A , выбираемого в соответ вии с соотношением 0,50(1,00 - ),50, Щ KO где а - радиус плазмы; RO - большой радиус Topaj - запас магнитогидродинами ческой устойчивости, и концентрацией, превышающей критическое значение Щ Р Г U) V А / где Т /т - отношение температуры основных ионов (дейтерия) к температуре ионо тяжелой примеси , iV - тепловая скорость дейTOHOBJto - угловая частота БМЗ-вол ны, большой радиус тора. В этом случае БМЗ-волна, расспр страняясь от периферии плазменного шнура, проходит зону двойного цикл тронного резонанса (ЦР) для дей714тонов, частично поглощаясь в ней на ионах дейтерия. Другая часть, распространясь далее в пиде 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 стс-рону увеличения магнитного поля. Благодаря выбору добавки с отношением Z/Л 0,50 на пути распространения плазменной волны возникает зона двойного ЦРдля 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 вьщеление энергии возбужденной БМЗ-волны осуществляется в двух зонах двойного ЦР для дейтонов и примесных ионов, то выбор минимальной величины отно1 50w. шения ,50(1,00- -обес Н печивает вьщеление энергии вцен- ; тральной области плазменного шнура внутри зоны, в которой происходит перемешивание плазмы за счет релакеационных магнитогидродинамических колебаний (внутри так называемой Г -зоны). При указанной минимальной величине отношения 2/А расстояние между зонами двойных ЦР для дейтонов и примесных ионов для типичных параметров токамака будет меньше диаметра Гд -зоны. Таким образом, использование тяжелой примеси с отношением 0,50( 1,00 - 2/Л 0,50 Уя RP . позволяет обеспечить вьщеление почти всей энергии, вводимой в плазму, в Гд - 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/A , удовлетворяющим неравенству 0,50(1, ) ,50, как специальная целенаправленная (для повьпоения эффективности ВЧ-нагрева) добавка, ранее нигде не использовалась. Кроме того в отличие от известного способа на грева плазмы, где используются добавкн относительно легк}гх примесей в дейтериевую плазму (водорода и гелия), а частота возбуждения выбирается равной основной ионной ЦЧ для легкой примеси, в предлагае мом способе используется поглощени на двойной ионной ЦЧ для добавки и используются примеси с повышенным значением 2 . В этих условиях повы шается эффективность передачи энер гии от нагреваемых волной примесны ионов к основным ионам за счет кулоновских столкновений, частота которых растет пропорционально неличине 2. На фиг. 1 показан плазменный шн токамака, поперечный разрез на фиг. 2 - схема распространения БМЗ-волны и поглощения ВЧ-энергии в плазме. Система ввода 1 размещается с внешней стороны тора, а возбуждени БМЗ-волны 2 в плазменном шнуре 3 осуществляется со стороны слабого магнитного поля. Картина распростр нения БМЗ-волны и поглощения ВЧ-эн гии в плазме дана на фиг. 2, на которой показана зависимость поперечного показателя преломления для быстрой и медленной плазменной вол в экваториальной плоскости 4 плазменного шнура. Здесь же приведена интенсивность потока ВЧ-энергии, величина которой характеризуется шириной заштрихованной области. Во буждаемая с помощью антенны быстра мода БМЗ-волны 2, распространяясь внутрь плазменного шнура, достигает зоны 5 двойного ионного ЦР для дейтерия и частично поглощается в ней. Остальная часть энергии, переносимая волной, за зоной поглощения уносится частично быстрой волной к периферии плазмы и частич .. но-медленной плазменной волной, ко торая, несмотря на отсутствие условия трансформации быстрой волны в медленную плазменную, весьма интенсивно возбуждается в этой облас Медленная плазменная волна, проход через зону 6 двойного ЦР для примеси, практически полностью в лей поглощается. Быстрая же волна у доходя до границы плазмы, отражается от нее и возвращается к области двойного ЦР для дейтерия. В этой области снова энергия волны частич но переходит в 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 волны выделена в областях двойных ионных ЦР для ионов основного газа (дейтерия) и примесных ионов. В качестве примера конкретного использовайия предлагаемого способа рассмотрим возбуждение, распространение и поглощение БМЗ-волны в плазменном шнуре токамака с пара- метра,ми Т-10 (большой радиус тора см, радиус плазменного шнура см, магнитное поле в центре шнура 30 кЭ) . В дейтериевую плазму токамака с темттературой дейтонов кЭ V и электронной концентрацией, Не 7,1 10 см вводится добавка изотопа неона , Ne. Частота возбуждаемой волны вь бирается равной 44 МГц. Такое значение частоты обеспечивает расположение зон двойного ЦР для дейтонов и неона на расстоянии 7,8 см от центра шнура. Процессы возбуждения и поглощения ВМЗ-волны имеющие место в этом случае, рассмотрим, используя результаты численного эксперимента, моделирующего распространение и поглощение БМЗ-волны в экваториальной плоскости 4, Расчеты проводят в цилиндричес; ой 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 Н HgR,/R. Рачеты проведены для случая возбуждения отдельной азимутальной моды по радиусу R тора с номером гп 7. Длина волны в этом случае вдоль направления магнитного поля в точке двойного ЦР для дейтонов Л 141,6 см, а продольный показатель преломпения 4,8. Рассмотрим случай, когда вопна вor бyждaeтcя на частоте, оавно. двойной ЦЧ для ионов дейтерия при. Р 157,8 см в отсутствие ионов добавки тяжелой примеси (случай, аналогичный прототипу). При выбран ных значениях продольного показате ля преломления и температуры плазмы точка трансформации быстрой волны в медленную плазменную отсут 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, распространяясь поперек плазменного шнур проходит зону двойного ЦР для дейтонов, расположе) на радиусе Р 157,8 см, ДО1 тает противоположной стенки вакуумной камеры и о ражается к центру плазмы. Так как поглощение в.зоне двойного ИЦР сла бое, то такие отражения происходят многократно, а в плазменном шнуре устанавливается распределение злек тромагнитного поля, близкое к стоя чей вопне. Помимо поглощения БМЗ-в ны в зоне двойного ИЦР в этой же зоне происходит генерация плазменной волны, уносящей энергию к периферии плазмы. Хотя эта волна имеет более сильное поглощение за счет черенковского затухания на электронах по сравнению с БМЗ-волн 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, погло.щенной в центральной области шнура за счет механизма двойного ЦР, существенно меньше, чем выделение энергии на периферии плазмы. Из расчетов следует, что только 26% излученной антенной мощности поглощается в центральных областях плазменного шнура. Рассмотрим теперь случай, когда в тех же условиях в плазму дополнительно вводится малая добавка изо топа неона дМб с относительной концентрацией 0,3 и температурой 6 кэВ. Картина распространения БМЗ-волны в обоих случаях во многом совпадает. Таким же образом происхо дит генерация плазменной волны. Однако введение столь небольшой добав ки примеси существенным образом изменяет картину поглощения волны. Теперь плазменная волна, проходя через зону двойного ИЦР для изотопа неона (R 1А2,2 см), практически полностью поглощается в ней. Лишь незначительная доля общей энергии (около 2%), переносимой п.мзменной волной, проходит через зону двойного ИЦР для примеси и выделяется на периферии плазменного шнура. Таким образом, в данном случае примерно 98% всей энергии вьщеляется в центральных областях плазменного шнура, причем 26% в зоне двойного ИЦР для дейтерия- и 72% в зоне двойного Ш1Р для примеси. Для обеспечения высокой эф(1)ективности 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 rj примесных ионов превышает некоторое критическое значение «;,, 1 Т УТ 22 --2li 0-)- . кр R Т W где Т/т отношение температуры основных ионов (дейтерия) к температуре ионов тяжелой примеси; V - тепловая скорость дейтоU) - угловая частота БМЗ-волны. Это выражение получено из условия, что оптическая толща должна быть больше или порядка единицы, В то время существенное превышение критического значения l для относительной концентрации нежелательно из-за увеличения потерь энергии из плазмы за счет излучений, обусловленных тopмqжeниeм 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 из этого примера, полное поглощение энергии в центре

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