На правах рукописи
Малахов Дмитрий Валерьевич
ВЛИЯНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА
НА НИЗКОЧАСТОТНУЮ ПЛАЗМЕННУЮ
ТУРБУЛЕНТНОСТЬ
Специальность 01.04.08 — физика плазмы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва 2011
Работа выполнена в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) и Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете, МИРЭА)
Научный руководитель: д. ф.-м. н., доцент Н.Н. Скворцова (МИРЭА, ИОФ РАН)
Официальные оппоненты: д. ф.-м. н., проф. А.А. Сковорода (Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт») д. т. н., проф. В.И. Хвесюк (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана)
Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт (Национальный исследовательский ядерный университет)
Защита состоится 06 июня 2011 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.063.03 при Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова, 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.
Автореферат разослан «29» апреля 2011 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д 002.063. кандидат физико-математических наук Т.Б. Воляк
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы К настоящему времени существует множество экспериментальных фактов, которые указывают на влияние турбулентности на характеристики плазмы в замкнутых магнитных ловушках. Например, в тороидальных ловушках низкочастотная (НЧ) турбулентность определяет аномальный перенос на краю плазмы, на это указывают измерения турбулентных потоков частиц в стеллараторах TJ-II, Л-2М, W7-AS [1]. В токамаках (Т-10, ФТ-2, TEXTOR и др. [2]) наблюдается изменение параметров турбулентности, согласованное с появлением в плазме внутренних и периферийных транспортных барьеров.
На многих тороидальных установках используется электронноциклотронный резонансный (ЭЦР) нагрев токовой плазмы (токамаки) или нагрев и создание бестоковой плазмы (стеллараторы) при помощи современных СВЧгенераторов большой мощности — гиротронов. Для этого, как правило, применяется несколько гиротронов — четыре в токамаке Т-10, по два в стеллараторах Л-2М и TJ-II, в будущем термоядерном реакторе ITER ожидается одновременное использование более десяти мегаваттных гиротронов [3]. Таким образом, в этих тороидальных установках плазма находится под воздействием одного или нескольких микроволновых полей в электронно-циклотронном диапазоне частот.
Для стеллараторов, которые работают в бестоковом ЭЦР-режиме, время удержания Е зависит от вводимой мощности. Причем эта зависимость разная для разных установок, например для ISS95 скейлинг Е Р0-0,59, для LHD Е Р0-0,58, а для стелларатора Л-2М (в диапазоне плотностей 0,5–21013 cм-3 [4]) скейлинг составляет Е Р0-0,73. В последние годы большое внимание уделяется исследованию НЧ плазменной турбулентности с разными пространственными масштабами, как коротковолновой ( Л-2М, LHD, TJ-II) [5], так и длинноволновой1 (LHD) [6]. Сложность проведения таких исследований связана с тем, что турбулентность в тороидальных установках является сильной и структурной [7], поэтому даже определение ее источника — неустойчивости (ETG, ITG и TEM или иной) — не позволяет полностью описать турбулентность. Для понимания механизмов влияния внешних параметров на НЧ-турбулентность необходимо сравнивать ее микрохарактеристики (спектры, времена корреляции, статистические моменты и др.) с макрохарактеристиками плазменных разрядов (плотностью, временем удержания, существованием барьеров и др.). 8Влияние этих факторов на турбуДеление на коротковолновую и длинноволновую турбулентность проводится по сравнению с ионными гирорадиусами. Например, в DIII-D для мелкомасштабной турбулентности ki 4–10 ( k — перпендикулярная составляющая волнового вектора турбулентных пульсаций, i — гирорадиус ионов), для турбулентности промежуточных масштабов ki 1–3, для длинноволновой ki 1 [8]. В соответствии с этим делением в наших исследованиях турбулентность с сантиметровыми масштабами является длинноволновой, а с миллиметровыми — коротковолновой.
лентность может возникать как в поле одной волны накачки, так и нескольких волн. Поэтому важно проводить исследования влияния нескольких волн накачки на низкочастотную плазменную турбулентность. Проблема исследования влияния микроволнового нагрева на нее имеет не только академическое, но и прикладное значение, в первую очередь для описания процесса переноса в тороидальных установках при ЭЦР-нагреве.
Данная диссертационная работа направлена на получение дополнительной информации о турбулентном состоянии плазмы при электронно-циклотронном нагреве плазмы, что является актуальным как для термоядерной плазмы, так и для физики плазмы в целом.
Целью настоящей работы является экспериментальное изучение влияния условий микроволнового нагрева (электронно-циклотронного диапазона частот) на параметры низкочастотной турбулентности плазмы в стеллараторе Л-2М и линейной установке ТАУ-1.
Для этого были решены следующие задачи:
1. Разработка алгоритмов для численного анализа временных выборок микроволновых диагностик по измерению флуктуаций плотности плазмы во внутренней области плазменного шнура стелларатора Л-2М.
2. Разработка алгоритмов для численного анализа данных зондовых измерений на установке ТАУ-1.
3. Сортировка и анализ базы экспериментальных данных стелларатора Л-2М по турбулентности (~5000 разрядов) в различных режимах: с разным уровнем вводимой мощности гиротрона, с дополнительным индукционным током, при введении лимитера, с краевым транспортным барьером.
4. Анализ характеристик (спектральных, корреляционных, вероятностных) НЧтурбулентности во внутренней области шнура Л-2М (диагностика малоуглового рассеяния и рассеяния на второй гармонике излучения греющего гиротрона) и на градиенте плотности плазмы (доплеровская рефлектометрия).
5. Модернизация установки ТАУ-1 для проведения экспериментов по введению двух микроволн в низкотемпературную замагниченную плазму: создание системы ввода СВЧ-мощности от двух магнетронов и создания комплекса с увеличенным динамическим диапазоном по амплитуде для регистрации ионно-звуковых колебаний.
6. Проведение экспериментов и анализ влияния двух волн накачки в электронноциклотронном диапазоне частот на ионно-звуковую турбулентность в ТАУ-1.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
1. Обнаружено многофакторное влияние ЭЦР-нагрева на низкочастотную турбулентность во внутренней области шнура стелларатора Л-2М.
1.1. Установлено увеличение энергии коротковолновой турбулентности и сохранение энергии длинноволновых флуктуаций при удвоении мощности ЭЦРнагрева в стандартной конфигурации магнитного поля, вызывающей понижение энергетического времени удержания /2/.
1.2. Установлено, что введение лимитера вблизи крайней замкнутой магнитной поверхности Л-2М, вызывающее охлаждение плазмы и уменьшение времени ее удержания, приводит к увеличению энергии коротковолновой турбулентности во внутренней области плазменного шнура и сужению ее фурье-спектра /2/;
1.3. Введение лимитера в Л-2М не приводит к изменению уровня длинноволновой турбулентности, а лишь сужает фурье-спектр /2,5/.
1.4. При мощностях нагрева ниже 100 кВт (в режиме без краевого транспортного барьера) полоидальная скорость вращения плазмы уменьшается, фурьеспектры длинноволновых флуктуаций на градиенте плотности сужаются /3,5/.
1.5. При мощности ЭЦР-нагрева 200 кВт и введении дополнительного тока в стелларатор Л-2М обнаружен шир2 скорости полоидального вращения плазмы /6,7/.
2. В стеллараторе Л-2М во всех режимах ЭЦР-нагрева было показано, что фурье-спектры исследовавшейся коротковолновой и длинноволновой турбулентности состоят из широких спектральных полос, выступающих из широкополосного сплошного спектра. Расположение полос и их ширина изменяется в течение стационарной части разрядов. Также было подтверждено, что НЧтурбулентность проявляет черты структурной плазменной турбулентности по спектральным и корреляционным характеристикам (на всех измеренных пространственных масштабах) /2,5,7,8/.
3. Проведен эксперимент по влиянию на ионно-звуковую турбулентность двух волн накачки (в ЭЦ-диапазоне), разница частот которых попадает в диапазон турбулентности. В зависимости от разности частот двух волн накачки обнаружено два режима влияния микроволн на турбулентность, которые различаются фурье-спектрами: появлением выделенной гармоники на частоте волны биения в сплошном спектре турбулентности или возрастанием интенсивности сплошного спектра /1,4/.
Практическая значимость работы Данная диссертационная работа направлена на получение дополнительной информации о турбулентном состоянии плазмы при электронно-циклотронном нагреве плазмы, что имеет важное значение как для термоядерной плазмы, так и для физики плазмы в целом.
Следующие результаты диссертации имеют практическое применение:
1. Новые алгоритмы анализа турбулентных данных стелларатора Л-2М могут быть использованы для обработки временных выборок в токамаках. Они позволяют при минимальной модификации кода, обрабатывать в автоматическом режиме большие объемы информации, источником которой может служить такие же или иные плазменные диагностики для исследования флуктуаций.
2. Опыт создания волн накачки при синхронной работе двух магнетронов может быть использован при исследовании микроволновых плазменных разрядов.
Шир скорости – это изменение скорости вращения плазмы по радиусу шнура.
Положения, выносимые на защиту 1. Увеличение интенсивности коротковолновой турбулентности в стеллараторе Л-2М коррелирует с уменьшением энергетического времени удержания плазмы при удвоении мощности ЭЦР-нагрева, также как и при введении лимитера, при сохранении уровня длинноволновой турбулентности.
2. Шир скорости полоидального вращения плазмы возникает при введении дополнительного индукционного тока. Скорость вращения уменьшается в отсутствии краевого транспортного барьера при ЭЦР-нагреве в стеллараторе Л-2М.
3. НЧ-турбулентность на всех измеренных пространственных масштабах во внутренней области шнура в стеллараторе Л-2М является структурной плазменной турбулентностью.
4. Разностная частота двух микроволн накачки на установке ТАУ-1, лежащая вблизи ионной ленгмюровской частоты, приводит к увеличению интенсивности всего ионно-звукового спектра. Уменьшение разностной частоты вызывает появление в спектре волны биения без увеличения интенсивности ионно-звуковых флуктуаций.
Апробация работы и публикации Диссертация выполнена в лаборатории «РАМУС» отдела физики плазмы Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН и на кафедре моделирования радиофизических процессов МИРЭА.
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах МИРЭА и ИОФ РАН, а также на международных и всероссийских конференциях по физике:
- 21st IAEA Fusion Energy Conference (Chengdu, 2006) - 17th International Toki Conference on Physics of Flows and Turbulence in Plasmas (Toki, Japan, 2007) - XXXV - XXXVIII Международные (Звенигородские) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2008–2011) - 22nd IAEA Fusion Energy Conference (Geneva, 2008) - VII International Workshop “Strong Microwaves: Sources and Applications” (Нижний Новгород, 2008) - Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электроника и энергетика. (Москва, 2010, МЭИ) - 58-я, 59-я, 60-я научно-техническая конференция в МИРЭА (Москва, 2010) - 20-й Российско-германский семинар по проблемам ЭЦ нагрева и гиротронам.
(Нижний Новгород, 2010) - VII Курчатовская молодежная научная школа (Москва, 2010) Общее число публикаций по теме диссертации – 21, в том числе 13 тезисов и докладов на конференциях и 8 статей в реферируемых журналах, из которых 6 из списка рекомендованных ВАКом.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка литературы. Объем диссертации 102 страницы текста, 6 таблиц, 44 рисунка, список литературы из 124 наименований.
Содержание диссертации Введение носит общий характер, в нём обосновываются актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечается прикладная и научная ценности полученных результатов, также дана общая характеристика работы и описана структура диссертации.
В первой главе приводится краткая характеристика низкочастотной турбулентности и ее связь с макропараметрами плазмы в тороидальных установках.
Рассмотрен электронно-циклотронный резонансный (ЭЦР) метод создания и нагрева плазмы в установках при помощи гиротронов. Представлен обзор экспериментальных результатов в области исследования низкочастотных флуктуаций при микроволновом нагреве плазмы в токамаках и стеллараторах, а также эксперименты по воздействию микроволн в электронно-циклотронной области частот на низкочастотную турбулентность в модельных установках с низкотемпературной плазмой.
Во второй главе описываются установки, на которых проводились исследования: стелларатор Л-2М и модельная установка с соленоидальным магнитным полем ТАУ-1, плазменные диагностики, а также разработанные диссертантом алгоритмы обработки данных, полученных на этих установках.
Диагностика рассеяния на гармонике гиротрона Ввод мощности гиротрона Рис.1. Эскизная схема стелларатора Л-2М с расположением диагностик для исследования НЧ-флуктуаций во внутренней области плазменного шнура.
Л-2М представляет собой двухзаходный стелларатор, который был создан в 1975 г. и модифицирован в 1997 г. Создание и нагрев плазмы в Л-2М осуществляется на второй гармонике гирочастоты электронов (75,3 ГГц) с помощью гиротрона мощностью от 80 кВт до 250 кВт при длительности импульса 10–15 мс. Сформированный гауссовский пучок с линейной поляризацией, соответствующий необыкновенной волне, с поперечником 4 см вводится в вакуумную камеру с наружной стороны тора. Величина магнитного поля 1,34 Тл соответствует положению циклотронного резонанса на оси вакуумной камеры R0 = 100 см в момент 54–55 мс от начала импульса магнитного поля. На рис. 1 представлена схема магнитного поля стелларатора Л-2М и расположение основных диагностик для исследования НЧ-флуктуаций, основные параметры плазмы приведены в таблице 1.
ТАУ-1 является установкой с низкотемпературной плазмой, специально созданной для проведения исследований по воздействию микроволн на плазменные флуктуации. Плазма создается пучково-плазменным разрядом в однородном магнитном поле, индукция которого составляет 60 мТ, при энергии пучка 6 0 – 120 эВ и токе около 0.1 А. Рабочий газ — аргон, давление которого составляет 310-4 Торр. Плотность плазмы в максимуме цилиндрического столба диаметром 4 см составляет ~ 21010 см-3, температура электронов 4–7 эВ, Ti ~ 0,1Te. Магнитное поле создается 14 соленоидами, запитанными от регулируемого источника питания. Катод изготовлен из гексабаридлантановой пластины с косвенным подогревом. Длительность стационарного плазменного разряда в ТАУ-1 достигает 3–5 часов. Блок схема установки представлена на рис.2, основные параметры приведены в таблице 1.
Система инжекции В качестве СВЧ-источников использовались два импульсных магнетрона МИ-167 с возможностью незначительной перестройки по частоте, нагруженные на петлевые антенны. Мощность каждого составляет 1 кВт в импульсе при длительности до 14,5 мкс. В зависимости от целей эксперимента магнетроны настраивались на различные частоты, значения которых лежали вблизи электронно-циклотронной частоты (примерно 1,7 ГГц).
Таблица 1.