Способ высокочастотного нагрева плазмы Советский патент 1987 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к способам высокочастотного (ВЧ) нагрева плазмы и при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза на основе магнитного удержания может быть использовано как метод дополнительного нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках, в том числе в токамаках и стеллараторах.

Целью изобретения является повышение эффективности нагрева плазмы при повышенных уровнях вводимой в плазму ВЧ-мощности.

В случае достаточно большой темпе- 15 на электронах. Это повышает

ратуры ионов Не по сравнению с температурой ионов основной плазмы (это отличие обусловлено ионами Не- ) эффекты трансформации быстрой моды в медленную в 1-й зоне трансформации оказываются относительно слабыми. Кроме этого, при повышенной концентрации ионов Не (это повышение необходимо при увеличении мощности, вво20

скорость кулоновского обмена между резонансными и основными ионами и повьш1ает предельный уровень вводим в плазму мощности, идущей на нагре основных ионов. Вохможность значительного увеличения предельного ур ня мощности определяется кроме тог возможностью использования существенно большей концентрации ионов р

димой в плазму) поглощение БМЗ вол- 25 зонансной добавки (до 20-30%) вслед- ны в области ионно-циклотронного ре- зонанса (ИЦР) также относительно слабо. В связи с этим определяющими в формировании профиля энерговьщеле- ния являются эффекты,связанные с кон-зо центрации,в то время как в этих ус- версией быстрой волны в плазменную ловиях поглощение быстрой моды за

ствие того, что затухание плазменной волны в зоне для Не благодаря ее мелкомасштабности и линейности поляризации не уменьшается с ростом кон

в зоне 2-й трансформации.Основная часть энергии возбуждаемой БМЗ вол ны переходит в энергию плазменной волны, которая распространяется от 2-й зоны конверсии в сторону увеличения магнитного поля, приближаясь К основному ИЦР для Не . В случае достаточно высокой температуры добавкй Не ( Тщ) плазменн-ая вол на обладает особенностья), заключающейся в том,что она может.распространяться вплоть до зоны основного ИЦР для Не. Поскольку в этой области медленная плазменная волна имеет очень малую длину (параметр К р 1, где К - поперечное волновое число: р - ларморовский радиус для ионов Не), то проявляется эффект обрезания хвоста функции распределе- ния резонансных частиц ,зак1почающий- ся в том-, что в области энергии Е 8,5 -Тд/ (К рд ) количество резонансных частиц пренебрежимо мало,а функция распределения при меньших энергиях имеет вид,близкий к плате. Это приводит к тому,что резко ос- лабляются потери энергии из плазмы, обусловленные уходом резонансных частиц с высокими энергиями из магнитной ловушки за счет эффекта банановых орбит. Такое преимущество важно для токамаков с малыми размерами либо с низким значением магнитного поля и особенно для стел- лараторов, для которых эффекты, связанные с банановыми траекториями, значительно сильнее,чем для токамаков. Эффект обрезания приводит также к тому,что торможение резонансных частиц происходит в основном на ионах основного газа и относительно

0

скорость кулоновского обмена между резонансными и основными ионами и повьш1ает предельный уровень вводимой в плазму мощности, идущей на нагрев основных ионов. Вохможность значительного увеличения предельного уровня мощности определяется кроме того, возможностью использования существенно большей концентрации ионов резонансной добавки (до 20-30%) вслед- центрации,в то время как в этих ус- ловиях поглощение быстрой моды за

ствие того, что затухание плазменной волны в зоне для Не благодаря ее мелкомасштабности и линейности поляризации не уменьшается с ростом кон5

0 5 g

счет основного ИЦР для Не существенно ослабляется.

Таким образом, помимо повышения эффективности нагрева, связанного с уменьшением потерь, становится возможным осуществление режима с увеличенной предельной мощностью, идущей непосредственно на нагрев основных ионов как за счет эффекта обрезания хвостов,

В качестве примера конкретного использования способа рассмотрим возбуждение, распространение и поглоще- ние- БЗМ волны в плазменном шнуре токамака Туман-3 с параметрами .боль- шой радиус тора RQ 55 см, радиус плазменного шнура а 20 см,магнитное поле в центре шнура Н 5 кЭ.

Система ввода размещается с внутренней стороны тора, т.е. возбуждение БЗМ волны в плазменном шнуре осуществляется со стороны сильного магнитного поля. В дейтериевую плазму токамака с температурой дейтонов Т .jj 200 эВ и электронной концентрацией в центре шнура п вводится добавка водорода с температурой Т;„ 200 эВ и относительной

концентрацией ч 0,5, удовлетворяющей соотношению 2 (2 +5)(1-2 ) /(4 +7)(4 +1) .; 10/7 (действительно, для токамака Туман-4 аспек тное отношение ё a/Ro 0,36 и, следовательно, 2(2f +5)(1-2 )/ /(42 +7)(Д +1) 0,15 и добавка изотопа гелия Не с относительной концентрацией п з/п - 0,1 и температурой 1 КэВ. Частота возбуждаемой волны выбирается равной 5,4 МГц. Такое значение частоты обеспечивает расположение зоны основного ИЦР для изтопа гелия Не вблизи плазменного шнура.

Возбуждаемая с помощью антенны быстрая мода БЗМ волны, распространяясь внутрь плазменного шнура, достигает зоны 1-й трансформации, в которой эффекты генерации плазменной .волны слабо проявляются.Распространяясь далее, быстрая мода приближается к зоне 2-й трансформации, где практически полностью трансформируется в плазменную волну распространяющуюся в сторону увеличения магнитного поля и уносящую энергию к зоне ИЦР для Не. В этой зоне энергия плазменной волны полностью поглощается.

Таким образом, практически вся вводимая в плазму энергия выделяется в центральных областях плазмен |ного шнура, причем эта энергия поглощается ионами изотопа Не за счет затухания медленной волны в отличие от известного способа, при использбван11и которого ионы изотопа Не поглощают энергию за счет затухания быстрой волны.Это позволяет осуществить силовые эксперименты с большой мощностью, передаваемой от резонансных ионов Не непосредственно основным ионам

Редактор И.Николайчук

Составитель В.Чуян.ов Техред и.Попович

Заказ 5283/48Тираж 395

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35,. Раушская наб., д..4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5

0

5

0

5

0

плазмы, и существенно снизить потери энергии, уносимой резонансными ионами, имеющими конечные банановые орбиты, на стенку камеры.

Предельная мощность при использовании предлагаемого способа может более чем на порядок превьш ать аналогичную величину для известного способа.

Кроме того, предлагаемый способ в ловушках с умеренными размерами позволяет существенно снизить потери энергии, уносимой резонансными ионами за счет дрейфа по банановым траекториям на стенку камеры. В результате в процессе ВЧ-нагрева плазмы значительно повышается эффективность преобразования ВЧ-энергии в тепловую энергию дейтонов при повышенных уровнях вводимой ВЧ-мощности.

Формула изобретения,

Способ высокочастотного нагрева плазмы, преимущественно дейтериевой находящейся в неоднородном магнитном поле токамака, включающий инжек- цию изотопа гелия Не и возбуждение быстрой магнитозвукбвой волны на частоте, соответствующей основной циклотронной частоте для ионов этого изотопа, о тли чающийся тем,что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы при повышенных уровнях вводимой высокочастотной мощности, в плазму добавляют водород с относительной концентрацией Пи/Пц, удовлетворяющей соотношению 2(2 +5)(1-2 )/(4 +7)(4 +1) п„/ /Пд 10/7, где - отношение малого радиуса

плазмы к большому (аспектное

отношение); п.. - концентрация протонов:

И

концентрация дейтонов.

Корректор Г.Решетник Подписное

Изобретение относится к проблеме нагрева плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза в замкнутых магнитных ловушкаху например токамаках. Целью изобретения является повышение эффективности нагрева плазмы при повьпиенных уровнях мощности. В дейтериевую плазму, находящуюся в неоднородном магнитном поле, инжектируют атомы изотопа Не и возбуждают быструю магнитозву- ковую волну на частоте ионов этого изотопа Вблизи оси плазменного шнура. Для повышения эффективности нагрева в плазму добавляют водород с относительной концентрацией , удовлетворяющей соотношению 2(2f+5)x ((4f +7)(4 +1) п„/п,10/7, где . - отношение малого радиуса плазменного тора к большому; п,,- концентрация протонов; Пд- концентрация дейтонов. с 9 (Л со ел о О5 05 го