Название:	Разработка и исследование нижнегибридной генерации тока и старта разряда на токамаке Глобус-М в диапазоне частот до 2,45 ГГц
Грантодатель:	РФФИ
Область знаний:	02 - ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ
Научная дисциплина:	02-610 Физика высокотемпературной плазмы и УТС 02-620 Физика низкотемпературной плазмы
Ключевые слова:	cферический токамак, высокочастотный нагрев, генерация тока
Время действия проекта:	2007-2008
Тип:	исследовательский
Руководитель(и):	Дьяченко,ВВ
Подразделения:	лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ)
Код проекта:	07-02-13583
Финансирование 2007 г.:	1000000
Исполнители:	Гусаков,ЕЗ: лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ) Гусев,ВК: лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ) Ирзак,МА: лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ) Ларионов,ММ: лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ) Новикова,ГВ: лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ) Савельев,АН: лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ) Фефелов,СА: лаб. фотоэлектрических явлений в полупроводниках (Мынбаева,КД) Хитров,СА: лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ) Щербинин,ОН : лаб. физики высокотемпературной плазмы (Гусакова,ЕЗ)

Проект направлен на теоретическое обоснование, разработку, подготовку высокочастотной аппаратуры и апробацию в экспериментах пионерского метода нагрева плазмы и генерации тока в сферических и традиционных токамаках при значительной полоидальной неоднородности (большая вытянутость и треугольность) плазмы. Последнее десятилетие активно исследуются возможности и перспективы токамаков с малым аспектным отношением, т.н. сферических токамаков (СТ). Крупнейшими экспериментами этого направления являются токамаки MAST( Великобритания), NSTX (США), Глобус-М (Россия). Задача получения в них максимальных значений газокинетического давления и поддержания тока путем использования дополнительных методов нагрева плазмы столкнулась с рядом труднопреодолимых проблем. Поскольку сферические токамаки оперируют с низкими значениями тороидального магнитного поля и высокими значениями плотности ( так что электронная плазменная частота много больше электронной циклотронной частоты), то хорошо изученные и апробированные в обычных токамаках высокочастотные методы нагрева плазмы, такие как нижнегибридный (НГ) и электронный циклотронный (ЭЦ ) оказываются непригодными из-за недоступности центральных областей плазмы для электромагнитных волн, возбуждаемых снаружи тора. В частности при стандартном подходе к нижнегибридному нагреву и генерации тока для выделения ВЧ мощности в ценральной зоне разряда оказывается необходимым возбуждение чрезвычайно замедленных волн, которое проблематично провести с высокой эффективностью.По этой причине для сферических токамаков необходимо искать и разрабатывать новые подходы и сценарии высокочастотных методов нагрева и генерации тока. Предпринятые эксперименты по нагреву электронов с помощью быстрой магнитозвуковой (БМЗ) волны в режиме высоких ионноциклотронных гармоник на NSTX или использование трансформации обыкновенной волны в необыкновенную и, затем, в электронную берштейновскую на установке MAST хотя и продемонстрировали эффекты нагрева, не смогли пока обеспечить его высокую эффективность. В настоящем проекте предлагается предпринять экспериментальную проверку и разработку новой схемы схемы нагрева электронов и генерации тока в сферических токамаках ВЧ волнами промежуточного частотного диапозона, предложенной в ФТИ РАН. Специфическая черта токамаков с малым аспектным отношением – сильная полоидальная неоднородность магнитного поля - создает возможность для проникновения первоначально слабо замедленных волн НГ диапазона частот в центральные области плазменого шнура. Причинами такой неоднородности являются как малость аспектного отношения ( R/a порядка/больше 1), так и сильная вытянутость плазменного сечения. Существование такой неоднородности может приводить к возникновению качественно нового эффекта - резонансно сильному замедлению и поглощению волн или так называемому полоидальному резонансу [ Yu.F.Baranov, A.D.Piliya, A.R.Esterkin, Pis’ma ZH.Eksp. Teor.Piz., 1991, 51,(12),p.617)]. В условиях сферического токамака частотный диапазон такого резонанса в несколько раз превосходит НГ частоту, вычисленную для оси установки и является промежуточным между НГ и ЭЦ частотами. Существенным является вопрос о доступности резонансной зоны для волн, возбуждаемых снаружи тора. Поскольку необходимо преодоление критерия доступности для НГ волн Nкр = 7-10, возбуждение волн при данном методе нагрева предлагается производить многоволноводными антеннами типа «грилл». Прямое возбуждение антенной столь сильно замедленных волн чрезвычайно чувствительно к взаимному положению грилла и границы плазмы и приводит к их периферийному поглощению. Как показывает теоретический анализ [A.R.Esterkin, A.D.Piliya, Nucl.Fusion, 1992, 32, p.927] возможный выход заключается в запуске слабо замедленной НГ волны в верхней точке полоидального сечения камеры токамака. При этом преодоление порога доступности происходит за счет роста продольного показателя преломления вдоль траектории из-за сильной полоидальной неоднородности системы. Однако подобное расположение громоздкой антенны крайне неудобно конструктивно. Выход был найден в традиционном расположении антенны в экваториальной плоскости установки со стороны слабого магнитного поля, но повернутой на 90 град. так, чтобы электрическое поле волны изначально было перпендикулярно магнитному полю токамака. При этом антенна будет возбуждать преимущественно быструю ( БМЗ ) волну, которая из-за взаимной и многократной трансформации быстрой и медленной мод будет некоторое время распространяться по периферии в своеобразном плазменном волноводе между точками трансформации и отсечки. Затем, сравнительно быстро из-за роста Nz эта волна преодолеет критерий доступности и достигнет области сильного поглощения. При таком сценарии нагрева имеется определенное ограничение сверху на частоту волны, связанное с ослаблением туннелирования волны сквозь область непрозрачности между антенной и поверхностью отсечки. С другой стороны, сильное уменьшение рабочей частоты приводит к удалению от резонансных условий. Компромисный интервал частот для Глобуса-М равен (2-4) ГГц. Предварительный численный анализ методом лучевых траекторий показывает, что трудности с попаданием волн в резонансную зону (преодоление критерия доступности НГ волн) могут быть решены оптимальным расположением и ориентацией антенн в полоидальном сечении камеры установки. Локализации области нагрева зависят от плазменных параметров и в Глобусе-М ( R = 36 см, a = 24 см, I = 0,3 MA, B = 0,5 T, ne=5.10^19 м-3 , k =1,8 ) ожидаются примерно на середине малого радиуса токамака. Вопрос о спектре возбуждаемых волн, параметрах антенн и их локализации будет решен после детального анализа условий эксперимента. Успешное подтверждение теоретических предсказаний в экспериментах на токамаке Глобус-М явилось бы прорывным решением задачи по созданию и поддержанию неиндукционного тока в сферических установках а также обычных токамаках с сильной полоидальной неоднородностью плазмы. С точки зрения перспектив использования токамака в качестве термоядерного реактора интересно изучить возможность непрерывного неиндуктивного процесса получения плазмы, подъема и поддержания тока с последующим ее нагревом с помощью только ВЧ мощности. ВЧ техника, подготовленная для описанного выше эксперимента, позволит провести параллельное исследование по организации мощного ВЧ старта разряда в токамаке Глобус-М. Эта задача имеет и самостоятельный интерес, поскольку возможности индуктивного старта и подъема тока в СТ принципиально ограничены малым запасом индукции в индукторе. Поэтому, создание с помощью мощного, большой длительности ВЧ излучения плотной (неск.ед.на 10^19 м-3) и достаточно горячей (неск. десятков эВ) плазмы позволит существенно съэкономить запас индукции, избежать режимов убегания электронов и улучшить качество и параметры разряда. Такой эксперимент не требует сложных антенных устройств, позволяет снизить рабочую частоту до 1 ГГц. Тем не менее, одной из задач проекта является изучение возможности разработки универсальной антенны, пригодной к последовательному выполнению всех процессов: создание начальной плазмы, подъем и поддержание неидукционного тока в плазме и ее нагрев. Данный проект основывается на базе, заложенной в результате выполнения госконтракта Минатома N 6.05.19.19.06.843 "Разработка сценариев диверторной конфигурации плазмы в сферическом токамаке Глобус-М для получения режимов с увеличенным энергосодержанием", а также грантов РФФИ 05-02-17763-а и 05-02-17773-а