Разработка методов и исследование генерации и нагрева плазмы на сферическом токамаке Глобус-М

• Автор: Гусев, Василий Константинович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 48 с. : ил.; 19х14 см

1. Введение и физическое обоснование сферического токамака Глобус-М

2. Создание сферического токамака Глобус-М и программа исследований

3. Первые эксперименты: компенсация рассеянных полей, пробой, начальная фаза разряда

4. Исследование убегающих электронов

5. МГД устойчивость плазменного шнура

6. Поведение плазмы при больших плотностях

7. Область рабочих параметров и удержание энергии

8. Подача топлива в горячую зону плазменного шнура

9. Дополнительный нагрев плазмы (первые эксперименты)

ВЧ нагрев плазмы на основной частоте ионно-циклотронного резонанса

Дополнительный нагрев плазмы методом нейтральной икжекции

10. Диагностический комплекс
Заключение
Приложение - список цитируемой литературы

1. Введение и физическое обоснование сферического гокамака Глобус-М
Токамаки пройдя почти сорокалетний путь развития, ближе всего подошли к термоядерному реактору. Важным шагом на этом пути явилось завершение рабочего проектирования экспериментального термоядерного реактора ITER [1]. Геометрические проектные параметры 1TER были выбраны на основании хорошо известных скейлингов, предсказывающих максимальную термоядерную мощность, Р/1а ~ fi2В 4Volume при отношении большого радиуса плазмы к малому (аспектному отношению A-RJa) равному примерно трем. В дальнейшем, токамаки с таким или большим аспектным отношением будем называть обычными или традиционными токамаками. Здесь Р - параметр, характеризующий эффективность удержания плазмы в магнитном поле В. Одной из самых перспективных систем с большим [1 является сферический токамак. Сферический токамак -это естественный результат эволюции обычного токамака по пути снижения аспектного отношения и магнитного поля, а также упрощения конструкции и уменьшения размеров.
В начале 70-х в работе [2] было показано, что существует предел по максимальному давлению плазмы, достигаемому в токамаке с большим аспектным отношением. Относительное давление плазмы возрастает при уменьшении аспектного отношения, fir = 2ро<р>/Вт ~ 1/Aqa. Здесь, Вт -тороидальное магнитное поле, qa~ qcyi = 5aBfiRIP -запас устойчивости на границе шнура с круглым сечением по отношению к винтовым МГД возмущениям в приближении А »1,1р - тороидальный ток плазмы. Позднее был установлен теоретический предел по идеальным МГД возмущениям [3,4]. Полученная зависимость носит название скейлинга Сайкса-Тройона, fir = Pn Ip/аВт, = ры In , где
величина Ду ^ 15 - коэффициент Тройона, Д> - нормализованный ток. Вывод о росте бета при уменьшении аспектного отношения также следует и из скейлинга Сайкса-Тройона, т.к. в приближении А»! величина Д = 1р/аВт ~ l/q СТ или токамак с малым аспектным отношением (А = R/a < 2) получается из обычного токамака путем уменьшения большого радиуса (R), при сохранении неизменным малого радиуса плазменного шнура (а). Расчет равновесной конфигурации производится так же как и в обычном токамаке, т.е. равновесные профили давления и плотности тока находятся путем решения уравнения Грэда-Шафранова, причем для плазмы произвольного сечения возможно лишь численное решение. Пример равновесной конфигурации приведен на Рис. 1, [7].
На рисунке показана силовая линия магнитного поля на граничной поверхности. Очевидно, что длина силовой линии на внутреннем обходе заметно превышает длину линии на наружном. Это дает возможность частицам плазмы проводить больше времени в области сильного магнитного поля (благоприятной кривизны) и улучшает МГД устойчивость конфигурации. Средний “минимум В”, характерный для тороидальной конфигурации с винтовыми линиями магнитного поля токамака, в СТ проявляется сильнее, что позволяет лучше стабилизировать неустойчивости перестановочного типа.
Для стабилизации винтовых возмущений достаточно, чтобы полный ток был ограничен и профиль плотности тока быстро стремился к нулевому значению на периферии плазменного шнура [10, 11]. Для случая А»1 при фиксированном токе, магнитном поле и малом радиусе следует, что qa А« qcyi A=const. При заметной тороидальности (А < 1.8) запас устойчивости гораздо сильнее возрастает при уменьшении аспектного отношения, чем в случае А»1. Это позволяет значительно

Рис. 1. Равновесная конфигурация сферического токамака.
92 l.Lehaiie et al., Proc. 30th EPS Plasma Phys. Conf. St. Petersburg 2003 ECA 27A P3
93 V.K. Gusev, et al., Density limits and control in the Globus-M Spherical Tokamak, Nuclear Fusion, 46 (2006) S584-S591
94 ITER Phys Basis, Nuclear Fusion, 1999, vol.39, Nol2, p.2185
95 V.B. Minaev V.K. Gusev, et al., First Results of the Experiment with NBI on the Globus-M Spherical Tokamak, Proc. of 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., St.Petersburg. 2003 ECA Vol.27A. P-2
96 V.Amoskov, ..., V.Gusev, et al., Simulation and analysis of eddy currents induced in the GLOBUS-M tokamak, Plasma Devices and Operations, Vol. 13, No.l, 2005, 25
97 V.K. Gusev New Results from the Globus-M Spherical Tokamak, Proc. 19th IAEA Fusion Energy Conf., Lyon, France, 2002, EX/P3
98 Абрамова К.Б., Воронин A.B., Гусев B.K., и др., Физика плазмы, 31, №9, 1-9 (2005)
99 Voronin A.V. and Hellblom K.G. 2001 Plasma Phys. and Controlled Fusion 43 (11) 1583
100 R. Raman, et al., Nuclear Fusion 37 (1997)
101 E.Hinnov and J.G.Hirschberg, Phys.Rev. 125 (1962)
102 Voronin A.V., Gusev V.K., et al., Nuclear Fusion, 45, 1039-1045 (2005)
103 Гусев B.K. и др., ЖТФ, (1999), т.69, N
104 Ирзак М.А. и др., Физика Плазмы 25, 659 (1999)
105 В.К.Гусев, В.В.Дьяченко, Ф.В.Чернышев, Ю.В.Петров, Н.В.Сахаров, О.Н.Шербинин Первые эксперименты по ВЧнагреву плазмы в сферическом токомаке Глобус-М на ионно-циклотронных частотах, Письма в ЖТФ, 2004, том 30, вып. 16.
106 O.N.Shcherbinin, ...,V.K.Gusev V.М.Leonov, Nuclear Fusion 46 (2006) S592-S577
107 Yushmanov, P.N., et al., Nucl.Fusion, 30(10) (1990) 1999
108 Chang, C.S., Hinton, F.L., Phys. Fluids, 29 (1986) 3314
109 А.Г.Барсуков, В.К.Гусев, Jl.А.Есипов, В.В. Кузнецов, В.М.Леонов, А.В.Лупин,
В.Б.Минаев, А.А.Панасенков, Г.Н.Тилинин Рперинт ИАЭ-6353/7, Москва 2005
110 Гусев В.К., и др., Малогабаритный светосильный спектрометр с высоким разрешением, Оптический журнал 64, 8 (1997)
111 V.V.Bulanin V.K.Gusev, et al., The Globus-M Diagnostics Design, Plasma Devices and Operations, Vol. 9, No. 1-2,2001, 129
112 Б.Фэн B.K. Гусев, и др., Наблюдения радиационных потерь в сферическом токомаке Глобус-М, Письма в ЖТФ, 2003, 29, вып. 11,
113 В.М.Амосков В.К.Гусев, и др., Определение положения и формы плазменного шнура по данных внешних магнитных измерений для токамака Globus-M в режиме реального времени, Физика Плазмы, 2003, 29, N.12, сЛ
114 Э.А.Азизов,.. ,,В.Гусев и др., Первые результаты, полученные с помощью сканирующего импульсного радара-рефлектометра на токомаке Глобус-М, Физика плазмы, 2004,
том 30, № 4, 1
115 С.Ю. Толстяков, В.К. Гусев, и др., Разработка диагностики томсоновского рассс на токомаке Глобус-М, ЖТФ, 2006, т. 76, вып. 7, с