Быстрые транспортные процессы и краевые эффекты в плазме стелларатора Л-2М

В настоящее время в связи с сооружением Международного термоядерного экспериментального реактора (проект ITER) [1] весьма актуальными являются вопросы о свойствах плазмы, находящейся в режиме улучшенного удержания энергии и частиц (Н-режим), а также процессов, приводящих к подобному режиму (L-H-переходы). Проект ITER разработан на основе токамака, однако также рассматриваются и альтернативные международные проекты, как, например, на основе стелларатора [2]. Стеллараторы по сравнению с токамаками обладают рядом существенных преимуществ — возможностью достижения больших значений плотности, стационарной работой, отсутствием срывов. Таким образом, изучение процессов, приводящих к улучшению удержания в стеллараторах, является весьма актуальной темой.

Переход в режим с улучшенным удержанием впервые обнаружен в токамаке ASDEX [3]. Он сопровождается ростом энергии и средней плотности плазмы, падением интенсивности излучения из плазмы и флуктуаций, а также образованием на краю плазмы транспортного барьера. Для стеллараторов подобный режим впервые обнаружен в экспериментах на установке W7-AS [4]. Впоследствии в большинстве токамаков и стеллараторов были получены режимы с улучшенным удержанием, зачастую существенно отличающиеся друг от друга. Появились теоретические модели, анализирующие возможный физический механизм L-H перехода [5].

Впоследствии было показано, что существенный рост энергии плазмы характерен для экспериментов с большим значением параметра /? (то есть отношения газокннетического давления плазмы к давлению магнитного поля) [6]. Для плазмы малого давления роста энергии не наблюдается, и улучшение удержания идентифицируется лишь по увеличению плотности плазмы и уменьшению уровня флуктуаций [7].

В данной работе представлено изучение эффекта, занимающего промежуточное значение между данными двумя случаями — в эксперименте наблюдается небольшой рост энергии плазмы, параметры плазмы в центральной области плазмы меняются мало, и резкие изменения наблюдаются на краю плазмы, где возможно изучение структуры плазмы с помощью зондов. При данном процессе существенно изменяются свойства турбулентности в краевой области плазмы. Таким образом, данная работа позволяет восполнить пробел в исследованиях.

В настоящее время считается общепринятым, что на краю плазмы доминирует аномальный (турбулентный) перенос. Подробное изучение краевой турбулентности может помочь понять природу L-H перехода. Были найдены схожие характеристики структуры краевой турбулентности в различных установках (токамаках, стеллараторах, обращенных пинчах), например, [8]. Обнаружено, что большую роль в структуре краевой турбулентности играют рациональные магнитные поверхности невысокого порядка.

Для стеллараторов экспериментально и теоретически изучены возможные неустойчивости, которые могут приводить к доминированию аномального переноса. Теории магнитогидродинамических и дрейфовых неустойчивостей достаточно полно описывают возможности возникновения аномального переноса при различных условиях удержания (см., например, [9]). Значительный интерес в настоящее время вызывают предсказываемые нелинейной дрейфовой теорией зональные потоки и геодезические-акустические моды (ГАМ) — механизмы, контролирующие уровень плазменной турбулентности (см., например, обзор [10]). Для экспериментального исследования данных явлений необходима диагностика, позволяющая изучать краевую область плазмы с большим пространственным и временным разрешением.

Таким образом, важным является вопрос об изменении глобальных и локальных свойств плазмы в процессе перехода в режим с улучшенным удержанием. Подробное исследование подобного эффекта представлено в данной работе на примере эксперимента в классическом стеллараторе Л-2М. Основным объектом исследования являлись экспериментально обнаруженные кратковременные (длительностью 100−200 мкс) транспортные процессы, приводящие к некоторому улучшению удержания.

Полученная информация представляет интерес для понимания фундаментальных свойств высокотемпературной плазмы.

Целыо данной работы было подробное изучение кратковременных, длительностью < 200 мкс, процессов в плазме стелларатора в режиме электронно-циклотронного резонансного (ЭЦР) нагрева, сопровождающихся небольшим ростом энергии и плотности плазмы и существенными изменениями в краевой области плазмы.

Для этой цели были решены следующие задачи:

1. Разработана комбинированная диамагнитная диагностика (КДД), позволяющая идентифицировать быстрый процесс, а также проанализировать изменение энергобаланса и оценить форму профиля давления при перемене состояния плазмы.

2. Проведено подробное изучение изменения параметров плазмы с помощью всего диагностического комплекса установки, позволяющего получить интегральные, профильные и локальные характеристики плазменного шнура.

3. Проведено изучение зондовых характеристик на различных радиусах краевой области плазмы с помощью подвижных ленгмюровских зондов и локальных флуктуирующих магнитных полей с помощью системы магнитных зондов.

4. Проведены измерения корреляций между различными точками системы с помощью магнитных и ленгмюровских зондов, и 1гх анализ.

Научная новнзна данной работы состоит в следующем:

1. В стеллараторе Л-2М при удельной мощности ЭЦР-нагрева (0.2 — 0.3) МВт/м3 обнаружено явление транспортного процесса длительностью < 200 мкс, имеющего сходство с Ь-Н переходом. Данное явление сопровождается рядом представляющих интерес эффектов.

2. Обнаружено, что данное явление имеет порог по мощности нагрева, сопровождается малым (до 15%) ростом энергии и средней плотности плазмы, а также незначительным изменением параметров в центральной области плазменного шнура. Резкое изменение параметров плазмы происходит только в области вблизи сепаратрисы (последней замкнутой магнитной поверхности).

3. Обнаружено, что краевая область плазмы имеет сложную многослойную структуру, резко меняющуюся в ходе изучаемого процесса. Разделение на слои связано с наличием в данной области рациональных магнитных поверхностей невысокого порядка. В частности, в разных слоях меняется структура локального турбулентного потока.

4. Обнаружено влияние быстрых процессов на масштабные электромагнитные возмущения с частотами, характерными для зональных потоков и геодезических акустических мод, и со структурой, характерной для трехмерных локализованных мод.

5. Обнаружено, что сдвиг фаз между плавающим потенциалом и ионным током насыщения, измеряемыми ленгюровским зондом, имеет широкий диапазон значений 7г>а>0.

На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:

1. Транспортные процессы длительностью менее 200 мкс обнаружены в стеллараторе в режиме ЭЦР-нагрева с удельной мощностью, превышающей пороговое значение. Данные процессы сопровождаются ростом энергии и средней плотности плазмы до 15%. Хотя данный эффект не вызывает существенного изменения характеристик в центральной области плазмы, он сопровождается изменением параметров края плазменного шнура. В краевой области наблюдается резкое уменьшение флуктуаций и образование сложной слоистой структуры.

2. Эффекты, ранее наблюдавшиеся порознь на различных установках при различных условиях, обнаружены в тонком (~ 1 см) слое краевой плазмы, в котором расположены рациональные магнитные поверхности невысокого порядка. Наблюдается эффект обращения экспериментально измеренного усредненного турбулентного потока в окрестности рациональной магнитной поверхности. В разных слоях краевой плазмы направление турбулентного потока различно. В ходе быстрого процесса направление потока не меняется, а его уровень падает более чем на порядок.

3. Дальние пространственные корреляции наблюдаются в краевой области плазмы, возмущения представляют собой достаточно сложные нелинейные образования, где характерные черты образующих их компонент размываются. Возмущения в этих диапазонах электромагнитны, то есть корреляция между потенциалом электрического поля и магнитным полем относительно велика. Корреляции в диапазонах различных частот исчезают и возникают при быстром транспортном процессе. Низкочастотные электромагнитные возмущения имеют определенное сходство с зональными потоками и геодезическими-акустическими модами, однако отличаются от них пространственной структурой.

4. Сдвиг фаз между плавающим потенциалом и ионным током насыщения имеет широкий диапазон значений л > ?2 > 0, постепенно уменьшаясь при движении вглубь плазмы от О. ~ тс на магнитной поверхности, ближайшей к сепаратрисе, до О ~ 0 в более глубоких областях плазмы.

Практическая значимость работы.

Следующие результаты диссертации имеют практическое применение:

1. Обнаруженный эффект позволяет восполнить пробел между Ь-Н переходами, при которых рост энергии плазмы значителен, и процессами, сопровождающимися только падением турбулентного потока из плазмы. Значительный интерес представляет тот факт, что происходящие процессы сосредоточены в узком слое краевой плазмы, в центральной области изменение параметров незначительно.

2. Данный эффект имеет явный порог по удельной мощности нагрева. В связи с разработкой на стеллараторе Л-2М новой системы электронно-циклотронного нагрева (с суммарной мощностью до 1,5 МВт) можно ожидать в новых экспериментах усиления эффекта улучшения удержания, сравнимого с переходом в Н-режим, при больших значениях удельной мощности нагрева.

3. Дальнейшее изучение сдвига фаз между плавающим потенциалом и ионным током насыщения (имеющего широкий диапазон значений) может способствовать лучшему пониманию физической природы неустойчивостей, стимулирующих турбулентный процесс.

Апробация работы и публикации

Диссертация выполнена в отделе физики плазмы Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах ИОФ РАН, а также на международных и всероссийских конференциях по физике:

— II и IV Курчатовские молодежные научные школы (Москва, 2004, 2006).

— 15th Intern. Stellarator Workshop (Madrid, IAEA, CIEMAT, 2005).

— 21st IAEA Fusion Energy Conference, 16−21 October 2006, Chengdu, China.

— 16 Intern. Stellarator Workshop 2007″, Toki, Gifu, Japan, 15−19 oktober, 2007.

— 22nd IAEA Fusion Energy Conference. 2008, Geneva.

— 59 Научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2010).

— XXXII — XXXIX Международные (Звенигородские) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2005;2012).

— VIII Конференция «Современные методы диагностики плазмы и их применение», НИЯУ МИФИ, 23−25 октября 2012 г.

Общее число публикаций по теме диссертации — 37, в том числе 29 тезисов и докладов на конференциях и 8 статей в реферируемых журналах из списка рекомендованных ВАКом.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка литературы. Объем диссертации 111 страниц текста, 3 таблицы, 39 рисунков, список литературы из 117 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В стеллараторе в режиме ЭЦР-нагрева с удельной мощностью, превышающей пороговое значение, обнаружены быстрые (длительностью менее 200 мкс) процессы, сопровождающиеся небольшим ростом энергии и средней плотности плазмы (до 15%). Данный эффект сопровождается слабым изменением интегральных характеристик плазмы, однако вызывает существенное изменение параметров края плазменного шнура. В краевой области наблюдается резкое уменьшение флуктуации и образование сложной слоистой структуры.

2. В тонком (~ 1 см) слое краевой плазмы, в котором расположены рациональные магнитные поверхности невысокого порядка, обнаружены эффекты, ранее наблюдавшиеся порознь на различных установках при различных условиях. Наблюдается эффект обращения экспериментально измеренного усредненного турбулентного потока в окрестности рациональной магнитной поверхности. В разных слоях краевой плазмы направление турбулентного потока различно. В ходе быстрого процесса направление потока не меняется, уровень турбулентности падает более чем на порядок.

3. В краевой области плазмы наблюдаются дальние пространственные корреляции, возмущения представляют собой достаточно сложные нелинейные образования, где характерные черты образующих их компонент размываются. Возмущения в этих диапазонах электромагнитны, то есть корреляция между потенциалом электрического поля и магнитным полем относительно велика. Корреляции в диапазонах различных частот исчезают и возникают при быстром транспортном процессе.

4. Показано, что сдвиг фаз между плавающим потенциалом и ионным током насыщения имеет широкий диапазон значений л > П > 0, постепенно уменьшаясь при движении вглубь плазмы от П ~ л на магнитной поверхности, ближайшей к сепаратрисе, до Г2 ~ 0 в самых глубоких областях плазмы.

Благодарности:

Автор хотел бы выразить свои благодарности Щепетову Сергею Викторовичу, Федянину Олегу Ивановичу и Хольнову Юрию Викторовичу за руководство и помощь в данной работеБатанову Герману Михайловичу, Гребенщикову Станиславу Евгеньевичу и Скворцовой Нине Николаевне за полезные советы и обсуждения, а также всем членам коллектива установки Л-2М за предоставленные экспериментальные данные.