Профили электронной температуры и особенности ЭЦР-нагрева высокотемпературной плазмы стелларатора Л-2М, полученные методом измерения электронно-циклотронного излучения

• Автор: Гладков, Григорий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Глава 1. Основы метода диагностики плазмы по электронно-циклотронному излучению (ЭЦИ) плазмы.
1.1 Основные положения электронного циклотронного резонанса
1.2 Приборы, используемые для измерения параметров плазмы по ее электронно-циклотронному излучению
Глава 2. Экспериментальная установка и диагностическое оборудование.
2.1 Основные параметры стелларатора Л-2М
2.2 Общий вид приемной системы. Приемные антенны
2.3 Компоненты супергетеродинного приемника
Глава 3. Калибровка.
3.1 Основы и принципы калибровки
Ф 3.2 Схема построения системы приема ЭЦИ для калибровки источником
известной температуры
3.3 Ошибки измерений электронной температуры
/* Глава 4. Определение оптической толщины и расчет лучевых траекторий.
4.1 Модель расчета лучевых траекторий и оптической толщины плазмы
4.2 Результаты численного моделирования
Глава 5. Экспериментальные измерения.
5.1 Измерения, проводимые на установке Л-2М, их особенности. Определение распределения электронной температуры плазмы
5.2 Эксперименты с разной величиной магнитного поля на оси
5.3 Влияние плотности плазмы и мощности нагрева на интенсивность
ф электронно- циклотронного излучения
5.4 Эксперименты с поперечным магнитным полем
5.5 Определение поглощенной плазмой мощности греющего СВЧ-излучения
5.6 Экспериментальное определение области поглощения греющего СВЧ-излучения. Исследования теплопереноса на Л-2М
5.7 Эксперименты с дополнительным индукционным током
5.8 Сравнение с другими методами измерений
Заключение
Список литературы

В настоящее время решение проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС) вступает в новую стадию и, прежде всего, это связано с разработкой крупного международного проекта токамака ГГЕІІ. На крупномасштабных токамаках и стеллараторах достигнуты большие успехи по удержанию и нагреву плазмы. До сих пор продолжаются споры о типе установки для будущего завода по производству электроэнергии, который требует стационарной плазмы с хорошим удержанием. На сегодняшний день удержание в системах токамачного типа лучше, чем в стеллараторных, однако, неэффективная рециркуляция мощности токов увлечения и срывы ставят под вопрос эффективность стационарного реактора, построенного на основе токамака. В то же время, установки стеллараторного типа предпочтительнее для непрерывной работы, но они должны быть несколько больше и значительно дороже. Хотя конфигурация термоядерного реактора в виде токамака на сегодняшний день более популярна, следует отметить, что для стационарной работы токамаков требуется более высокая рабочая температура для увеличения доли бутстреп-тока и уменьшения мощности токов увлечения. Для систем же стеллараторного типа более удобна относительно низкая температура плазмы для уменьшения переноса в стеллараторных ямах. Результатом этого факта является более низкая стоимость обслуживания стеллараторных систем, где нет потерь мощности на токи увлечения и требуется менее частая замена бланкета. Проводимые сравнительные оценки двух типов термоядерных систем [1], основанные как на физических, так и на инженерных данных показали, что эффективная стоимость, включающая в себя все стадии жизни установки, обеих термоядерных систем сравнима по величине, хотя начальные затраты для установок стеллараторного типа значительно выше. Основное отличие этих двух видов установок заключается в разной конфигурации магнитной системы. Разнообразие стеллараторных установок можно разделить на три основных вида: классический стелларатор (гелиотроп или торсатрон), гелиак и гелиас. Эти тороидальные конфигурации, обладающие своей собственной симметрией можно определить элементами магнитной структуры, например, магнитной ямой, магнитным .широм, вращательным преобразованием, структурой модуляции поля. Эти элементы тесно связаны со свойствами удерживаемой плазмы. Исходя из особенностей магнитной структуры, стеллараторы имеют свои формы профилей, скейлинги, флуктуационные свойства. Именно поэтому исследования на каждом отдельном стеллараторе представляют большую ценность. Удерживающее поле классического стелларатора (Ь-2М, АТР, СШ, НеІіоЦоп-Е, ЬНИ) создается парой непрерывных винтовых обмоток и некоторым набором катушек, необходимых для контроля положения магнитной
оси и формы поперечного сечения плазмы. Этот тип конфигурации характеризуется большим вращательным преобразованием (У2л=1ч-2,5), большим широм магнитного поля и магнитной ямой (до 33%). Гелиак (17-11, Н1-гелиак) можно охарактеризовать врожденной магнитной ямой (около 4%), большим вращательным преобразованием (^2я= 1ч-2) и низким магнитным широм. Магнитное поле получается как суперпозиция двух компонент поля: полоидального поля, получаемого центральным тороидальным проводником и торсатронного поля, образованного набором катушек тороидального поля с центрами на винтовой кривой вокруг тороидального проводника. Установка типа гелиас (V7-AS) -оптимизированный стелларатор с квазисимметричной конфигурацией. Магнитное поле образуется набором модульных катушек. Конфигурация характеризуется магнитной ямой (около 2%), низким вращательным преобразованием (У2тг=0,25-г0,7) и малым широм магнитного поля. Стелларатор Л-2М относится к классическому стелларатору, речь о котором пойдет ниже, во второй главе.
На крупнейших установках, где электронная и ионная температуры плазмы достигают десятков килоэлектронвольт, уже можно говорить о стационарном времени удержания плазмы. В результате многолетних исследований достигнуто достаточно хорошее понимание физических процессов, происходящих в высокотемпературной плазме. Однако ряд физических и технических задач еще не имеет своего окончательного решения, в связи с чем возрастают требования к диагностическим приборам для исследования свойств плазмы. Развитие диагностик идет как по линии модернизации старых методик, так и по линии создания новых диагностических систем. Это позволяет более точно измерять параметры плазмы, в частности - изменение электронной температуры в пространстве и времени. Значение этого параметра существенно возрастает в случае, когда мощность от источников нагрева в плазме вкладывается именно в электронную компоненту плазмы (омический нагрев, электронно-циклотронный нагрев).
Г елиотрон
1_Н0,НеПсЛгоп Е, СНЭ & АТЕ
ZV7-AS. НвХ, & Не1ю1гоп
Гелиас
Гелиак TJ.II, Н
Т.к. р/а< 1 и обычно П{П « 1, то эффект от пульсации плотности будет мал.
Четвертое слагаемое уравнения (3.9) представляет нелинейную зависимость 1эцц от Те. Эта нелинейность создает возможность образования высших гармоник, которые могут искажать реально существующие гармоники колебаний электронной температуры. Представим первую гармонику изменения температуры в виде Ге(?,г) =Те со5{р)м1-фм (г)), где (ОмИя - частота модуляции ЭЦ-нагрева, фм - фазовая задержка развития колебаний относительно периодического греющего излучения или относительно Те (/,г=0) соответственно. Тогда, используя разложение в ряд, относительное изменение температуры Т" можно представить в виде:
Т- =|г,Г сойЧо,„, -ЛМ)=|г,Г (3 12)
гг, гп2 |~|* СО5Р(й>М*-0м(,'))]+1 -
где « - номер гармоники. Тогда Т{ =|Г,| ~ • Конечно, в действительности
вторая и большая гармоника также образуют высшие гармоники, которые тоже могут искажать результаты показаний диагностики. Влияние высших гармоник тем значительнее, чем сильнее вклад второй гармоники, образующейся деформацией первой гармоники ЭЦИ излучения, на реально существующую вторую гармонику ЭЦИ излучения. Т.е. нужно оценить вклад амплитуды образующейся второй гармоники Ага к реально существующей второй гармонике Аг.
(3.13)
Используя диффузионный характер затухания высших гармоник, взяв принятые ранее параметры Л-2М и приняв расстояние, на которое распространяется возмущение Дг=0,1 м, а
= 2, —(г) = 10%, по методике, представленной в [87] получаем, что вклад образуемой

второй гармоники к реальной оказывается достаточно велик: У20 = 0,27. Это означает, что реально существующая вторая гармоника может значительно искажаться «образующейся» второй гармоникой.
Члены п2 и Г]7!| уравнения (3.9) также могут вносить вклад, но для экспериментальных условий Л-2М они незначительны.