Способ создания стационарного тока в плазме Советский патент 1986 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для создания стационарного токамака на основе генерирования токов увлечения в плазме с использованием электромагнитных волн.

Цель изобретения - повышение эффективности генерации стационарного тока,

Создание стационарного тока заключается в следующем.

Возбужденная БМЗ волна, распространяясь вглубь плазмы, проходит зону двойного циклотронного резонанса для ионов тяжелой добавки,, слабо поглощаясь в ней из-за свойств БМЗ волны (относительно слабой эллиптичности поляризации, при которой вектор электрического поля вращается в основном направлении, противоположном направлению вращения ионов, и сравнительно большой длины волны поперек направления магнитного поля) и малой относительной концентрации ионов тяжелой примеси.

Далее волна, распространяясь к противоположной от антенны границе плазменного шнура, приближается к зоне трансформации БМЗ волны в медленную плазменную волну. Эта зона возникает благодаря наличию добавки водорода. В зоне трансформации БМЗ волна частично проникает через зону непрозрачности, распространяясь далее к периферии плазмы, и частично трансформируется в плазменную волну Волна, проникшая через зону непрозрачности j поглощается в зоне основного ионного циклотронного резонанса для водорода. Однако ее интенсивность благодаря выбору достаточно большой концентрации водорода может быть сделана незначительной, т.е. может быть обеспечен почти полный переход энергии возбуждаемой БМЗ волны в энергию плазменной волны. Плазменная волна, распространяясь от области трансформации в сторону увили- чения магнитного поля, достигает области плазменного дшура, где ее частота становится близкой к двойной ионной циклотронной частоте ионов тяжелой примеси. Условие, при котором зона двойного циклотронного резо нанса для примесных ионов находится в области распространения медленной плазменной волны, обеспечивается

168052

благодаря выбору для примесных ионов, а также выбором такой концентрации добавки водорода, при которой область трансформации быст-5 рой волны в плазменную находится меж;с1;у зонами двойного циклотронного резонанса для ионов тяжелой примеси и ионного циклотронного резонанса для добавки водорода. Кроме того, в

0 случае дейтерий-трнтиевой плазмы

необходимо обеспечить выполнение условия Z/A - в противном

6(пу/П;)+1) - случае плазменная волна, не достиг- 15 нув зоны двойного ионного циклотронного резонанса для примеси, трансформируется в еще более мелкомасштабные колебания, энергия которых затем полностью поглощается электро- 20 нами.

Действительно, условие трансформации плазменной волны в мелкомасштабную волну может быть записано в виде 25 ,

.г г сОрт) УТТ

( и}(-1,1 Ы

гдец)-,., ujpj - плазменная частота для ионов дейтерия и трития : О - частота возбуждаемой

БМЗ волны;

,ОТ - ионная циклотронная частота для дейтерия и трития;

,,VTT тепловая скорость для ионов дейтерия и трития.

Из этого условия следует, что точка трансформации совпадает с точкой двойного ионного циклотронного резонанса для тяжелой примеси если для примесных ионов

he#«-, д liiv T

4+91fJ J

где ).

Для типичных параметров плазмы в термоядерных реакторах, когда концентрация ионов трития порядка кон- центрацин ионов дейтерия, это выражение может быть представлено в приЗТ+2

6jumeHHOM виде Z/A

6(Т+1)

Благодаря особенностям плазменной волны, а именно линейности поляризации и мелкомасштабности, такая волна сильно поглощается в зоне двойного циклотронного резонанса для ионов тяжелой примеси, даже если их концентрация очень мала. По этой причине, за счет эффекта Допплера, волна полностью поглощается на подходе к зоне, где ее частота совпадает с двойной циклотронной частотой ионов тяжелой добавки. Это означает, что медленная плазменная волна поглощается только ионами с весьма большой тепловой скоростью вдоль направления магнитного поля. При этом благо- даря использованию бегущей вдоль оси плазменного шнура электромагнитной волны поглощение происходит только на частицах, движущихся в одном направлении вдоль силовых линий магнитного поля. Этот эффект и обуславливает возникновение стационарного тока, при этом поскольку поглощение энергии осуществляется на частицах со скоростью вдоль магнитного поля значительно большей, чем тепловая скорость ионов, достигается макси- : мальная эффективность генерации ста- ционарного тока. Этот максимум имеет место, если скорость примерно в 5 раз больше тепловой скорости.

На фиг.1 показан плазменный шнур токамака, поперечный разрез; на фиг.2 схема, иллюстрирующая картину распространения БМЗ волны и поглощение ВЧ энергии в плазме, а также качественная зависимость поперечного показателя преломления N для быстрой и медленной плазменной волн по диаметру плазменного шнура.

Система ввода - антенна 1 размещается с внутренней стороны тора. Возбуждение БМЗ волны 2 в плазменном шнуре 3 осуществляется со стороны магнитного поля. Величина интенсивности потока ВЧ энергии к экваториальной плоскости 4 определяется шириной заштрихованной области. Возбуждаемая с помощью антенны 1 быстрая мода БМЗ волны 2, распространяясь со стороны сильного магнитного поля через плазменный шнур, достигает зоны трансформации в плазменную волну, где практически вся ее энергия трансформируется в энергию плазменной волны, которая выделяется на подходе K30H« 5 двойного ионного циклотронного резонанса (ИЦР) для тяжелой

20

216805Л

примеси. Лишь незначительная часть энергии возбужденной БМЗ волны, переносимая быстрой модой,. просачивается через зону непрозрачности и достигает зоны 6 ИЦР, где поглощается ионами дейтерия и водорода.

Рассмотрим возбуждение, распространение и поглощение бегущей БМЗ волны в плазменном шнуре токамака с

JQ параметрами Т-10 (большой радиус тора см, радиус плазменного шнура см, магнитное поле в центре шнура кЭ). В дейтериевую плазму токамака с температурой дей., тронов Т-, КэВ и электронной концентрацией Пр 7,1 10 вводится добавка водорода с относительной концентрацией 4% и температурой Т-, КэВ, добавка изотопа литиЯдЫ с относительной концентрацией 3% и температурой 6 КэВ. Отношение Z/A для ионов изотопа лития равно 3/7 и соответствует соотношению

3nT/nEi2 /д 2.

25 6(пт/П5+1)

Частота возбуждаемой волны выбирается равной двойной ионной циклотронной частоте изотопа лития в центре плазменного шнура. Возбуждается азимутальная мода с волновым числом по большому азимуту. Электронная температура в центре плазменного шнура равна 3 КэВ, т.е. вьш1е потенциала ионизации водородоподобного иона изотопа лития.

Процессы возбуждения и поглощения БМЗ волны, имеющие место в этом слу- чае, рассмотрим, используя результаты численного эксперимента, моделирующего расспространение 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 угол направлен вдоль оси плазменного шнура. Профиль плотности для плазмы и ее температура при этом выбираются параболическими, а магнитное поле - изменяюшз мся по закону . 0 Для выбранных параметров плазмы положение характерных зон следующее: зона двойного ионного циклотронного резонанса для изотопа лития распола-. гается около Ru. 150 см, зона цикло- 5 тронного резонанса для ионов водорода - около см, зона трансформации быстрой моды БМЗ волны в медленную плазменную - около RTP

40

45

170 см. БМЗ волна, распространяясь поперек плазменного шнура со стороны сильного магнитного поля, проходит зону двойного ионного циклотронного резонанса для изотопа лития и достигает зоны трансформации быстрой волны в плазменную ( см). В этой области быстрая мода БМЗ волны почти целиком -трансформируется в плазменную волну за один проход. Лишь незначительная доля энергии, примерно 3%, поглощается в зоне трансформации и в зоне циклотронного ре- зонанса для ионов добавки водорода, основная же часть поглощается в зоне двойного циклотронного резонанса для ионов тяжелой примеси. Таким образом, благодаря введению добавки осуществляется эффективная перекачка энергии БМЗ волны в энергию плазменной волны, поглощение практически полностью происходит на ионах тяжелой примеси, а не на электронах. Поглощение плазменной волны осуществляется на подходе к точке двойного циклотронного резонанса для изотопа лития. Резонансные ионы, в основном поглощающие энергию плазменной волны, имеют скорость вдоль направления магнитного поля 910 см/с, что примерно соответствует условиям достижения максимальной эффективности генерируемого стационарного тока. Таким образом, диссипация энергии осуществляется полностью на ионах лития, причем достигается полная ассиметрия поглощения (волна поглощается на частицах, движущихся в одном направлении и имеющих достаточно большие продольные скорости).

В качестве добавки используют ионы изотопа лития sLi. Возможно использование других элементов (фтора, изотопа углерода изотопа неона и т.п.).

Для обеспечения поглощения энерги примесными частицами с надтепловыми скоростями необходимо, чтобы концентрация ионов тяжелой примеси была не очень мала, в противном случае из-за малого количества этих частиц затухание настолько уменьшается,что волна может проникать в область резонансных частиц, движущихся в противоположном направлении вдоль магнитного поля. Это приводит к компенсации токов и снижению эффективности генерации т(жа. Как следует из

0

5

0

численных расчетов, эта минимальная концентрация оказывается весьма малой и составляет от нескольких процентов для ионов с относительно низким отношением Z/A до десятых долей процента для добавок с большим Z/A, Использование слишком большой концентрации тяжелой добавки приводит также к снижению эффективности генерации тока (в частности, если концентрация добавки такова, что эффективный заряд плазмы Z,,TO эффективность генерации тока стремится к нулю), поэтому концентрация добавки не должна превьщ1ать значений, при которых ,3Z. Отсюда следует, что относительная концентрация добавки п Z. С точки зрения потерь из плазмы за счет излучений на примесях концентрации, удовлетворяющие приведенньш условиям, не -являются опасными из-за небольших приращений Zjcp .

В таблице приведено сравнение эффективности предлагаемого метода создания тока при использовании различных видов ионов тяжелой примеси.

Значения параметра определяются как отношение энергии, поглощенной тяжелой примесью Р,, к общей ВЧ мощности, вводимой в плазму, Р. Так как величина генерируемого тока I пропорциональна Р(), то эффективность генерации тока ,,/

Pgf, V. Как следует из таблицы, использование изотопов фтора и лития с Зп-г/пь+2 7/. ч /о

МпТУп ТУ Z/AO/2 дает достаточно высокое значение эффективносНе К

ти jt . Использование элемента .

Не К

С приводит к очень низкому значению J из-за слабого проникновения БМЗ волн в области циклотронного затухания для этих примесей (энергия БМЗ волны в основном переходит в энергию плазменной волны, в области распространения которой эффекты циклотронного поглощения на таких при

месях отсутствуют). в случае исполь- зования 47 в дейтерий-трк- тиевой плазме низкая эффективность

J обусловлена тем, что плазменная волна не достигает зоны циклотронного резонанса для примеси молибдена из- за трансформации в более мелкомасштабную плазменную волну и последу10 ющего поглащения на электронах.

/V

1 I

tfz.2