"Способ плазмы в установках токамак Советский патент 1981 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится,к области физики плазмы и термоядерного синтеза.

Известный способ нагрева плаз14Ы в токамаке - джоулев нагрев - не эффективен при высокой температуре плазмы, т.к. частота столкновений между электронами и ионами плазмы, опережгиощая энерговыделение, падает с ростом температуры как (l .

Ближайшим техническим решением является способ нагрева дейтериевой плазмы в установках токамак путём возбуяодения в плазме магнитозвуковых колебаний на циклотронной частоте малой добавки резонансных ионов 2

Однако известный способ имеет ряд существенных недостатков.

Как установлено экспериментально, в дейтериевой плазме токамака концентрация водородных ионов, определяющая эффективность диссипации и характер распределения магнитозвуковых волн на циклотронной ионной частоте водорода, не регулируется и находите; на слишком большом уровне (2-20%). Повышенная концентрация водородных ионов в дейтериевой плазме, по-видимому, связана с образованием

в процессе разрядного импульса токамака паров вода и их конденсацией на непрогреваемых частях вакуумной системы установки.

Циклотронный нагрев ионов врдорода приводит к отклонению функции распределения электронов от максвелловской и к возможности появления из-за анизотропии распредёлёйия большого числа запертых и локально запертых ионов, плохо удерживае№йх в токамаке. По этой причине высокочастотная (вч) мощность оказывается ограниченной.

При достаточно высокой температуре плазмы наряду с циклотронньгм мехайизмом нагрева ионов водорода становитйя весьма эффективным механизм нагрева на второй гармонике ионной циклотронной частоты, приводящей к непосредственному поглощению высокочастотной мощности дейтонгцш плазмы. При таком ме санизме теория предсказывает сильную анизотропию распределения для основных ионов и появление убегающих частиц. Плохое удержание этих частиц в токамаке также накладывает дополнительное ограничение на вводимую в плазму ВЧ мощность. Целью изобретения является повылаек ле температуры плазмы. Для достижения указанной цели в качестве резонансных ионов вводят двгикды заряжё нные ионы изотопа Не , Как Воизвестном способе, в этом случае поляризация волны.в плазме, опТредёляемая основными ионами, ока зывается эллиптической, и обеспе чнвается эффективное циклотронное ускорение резонансных ионов. При атом плохо контролируемая примесь водородных ионов не оказывает алияГния на процесс нагрева, т.к. циклотронная частота этих ионов находитсй за пределами плазменного шнура (если аспектное отнесение А 2),Так ie полностью исключается механизм нагрева на второй гармонике ионной циклотронной частоты для дейтерия. Поскольку декремент затухания магни тозвуковой волны (или добротность плазчил) зависит в рассматриваемом с чае от концентрации добавки, ее точ ное регулирование (осуществляется, например, путем напуска холодного газа Не в разряд) позволяет осуаеетвлять согласование плазмы с ис точником ВЧ мощности. Резонансные ионы (Не ), полу.чая энергию от поля волны и отдава ее затем за счет торможения нерезо нансным ионам (дейтонам) и электро ййеют немайсВёллбВское рас ределение, обогащенное частицами в области больших энергий. Мощность, передаваемая резонанс ными ионами частицам плазмы, имеет вид: RcConst.A-2.2(-z.3)..nne.Enajf(v i;piv K(ocl E (1) где ОС i , е - индексы, обозначающие нерезонансные ионы и электроны плазмы/ A.Z.n.E- относительный атомнцй вес, зарядный номер, концентрац и энергия резонансных иор °в; Я - кулоновский логарифм f(V) - функция распределения резо нансных ионов , , интервал Максвелла Т и Z - температура и эффективный заряд плазмы. ,,.,,...,. 0FflKiiHflf распределения резЬнансных ионов f(V), согласно (1), зависит от четырех параметров плазмы T и Е . Безразмерный параметр ., А. nngZ где «1Р усредненная по магнитион поверхности ВЧ мощность, поглощаемая резонансными ионами в единице объема Ш1азм а). Из анализа приведенных формул следует, что мощность, Г1ередавг1емая нерезонансным нонам 2 4 Легко Бидеть, что использование в качестве резокансних иомоь вместо ионов водорода позволяет увеличить мошность f более чем в 3 раза. Следует подчеркнуть, что циклотронный нагрев малой добавки резонансных ионов имоат своеобразный характер. При относительно малом уровне мощности энергия, поглощенная резонансныг.1И частицами от поля волны, почти полностью передается за счет столкновений основным ионам плазмы, Максимальный нагрев последних достигается при определенном значении Е, , зависящем от конкретных параметров плазг.1ы. При дальиейи1ем увеличении мощности энер1ия, передаваемая основным ионам, падает, а доля энергии, пepeдaвae 5a I электронам, растет. Это должно приводить к возникновению существенной анизотропии функции распределения к образованию большого числа запертых и локально запертых ионов, быстро покидающих ловушку. Интенсивный поток таких частиц на стенку каморй может увеличивать её распыление, поступление примеси в плазму и в конечномсчете вылзать неустойчивость срыва. Указаншае причины приводят к ограничению уровня вводимой в плазму ВЧ мощности;.; .: .. . , - Изобретение позволяет значительно увеличить энергию, вводимую в плазму токамака, чем по известному способу, осуществить нагрев осноВ- , ных ионов (дейтонов), не их. функции распределения, а также открывает возможность плавного регулирования нагрузки источника ВЧ мощности . ; ;-. - - .. Формула изобретения Способ нагрева дейтериевой плазмы в установках токамак путем возбуждения в плазме магнитозвуковых колебаний на циклотронной частоте малой добавки резонансных ионов, отлич ающи и с я тем, что, с целью повышения температуры плазмы, в качестве резонансных ионов 5 вводят дважды заряженные ионы изотопа НеЭ. Источники информацииi принятые во внимание при экспертизе 1, Арцимович Л.А. Управляемые 7193326 термоядерные реакции, Изд. , М., 1966, с. 223-299. 2. Авторское свидетельство СССР 342560, кл. Н 05 Н 1/00, 1974 (прототип).