SU1216805A1

SU1216805A1 - Способ создани стационарного тока в плазме

Info

Publication number: SU1216805A1
Application number: SU843710119A
Authority: SU
Inventors: Анатолий Викторович Лонгинов; Сергей Семенович Павлов; Константин Николаевич Степанов
Original assignee: Предприятие П/Я В-8851
Priority date: 1984-03-15
Filing date: 1984-03-15
Publication date: 1986-03-07

Description

Изобретение относитс к области управл емого термо дерного синтеза и может быть использовано дл создани стационарного токамака на основе генерировани токов увлечени в плазме с использованием электромагнитных волн.

Цель изобретени - повышение эффективности генерации стационарного тока,

Создание стационарного тока заключаетс в следующем.

Возбужденна БМЗ волна, распростран сь вглубь плазмы, проходит зону двойного циклотронного резонанса дл ионов т желой добавки,, слабо поглоща сь в ней из-за свойств БМЗ волны (относительно слабой эллиптичности пол ризации, при которой вектор электрического пол вращаетс в основном направлении, противоположном направлению вращени ионов, и сравнительно большой длины волны поперек направлени магнитного пол ) и малой относительной концентрации ионов т желой примеси.

Далее волна, распростран сь к противоположной от антенны границе плазменного шнура, приближаетс к зоне трансформации БМЗ волны в медленную плазменную волну. Эта зона возникает благодар наличию добавки водорода. В зоне трансформации БМЗ волна частично проникает через зону непрозрачности, распростран сь далее к периферии плазмы, и частично трансформируетс в плазменную волну Волна, проникша через зону непрозрачности j поглощаетс в зоне основного ионного циклотронного резонанса дл водорода. Однако ее интенсивность благодар выбору достаточно большой концентрации водорода может быть сделана незначительной, т.е. может быть обеспечен почти полный переход энергии возбуждаемой БМЗ волны в энергию плазменной волны. Плазменна волна, распростран сь от области трансформации в сторону увили- чени магнитного пол , достигает области плазменного дшура, где ее частота становитс близкой к двойной ионной циклотронной частоте ионов т желой примеси. Условие, при котором зона двойного циклотронного резо нанса дл примесных ионов находитс в области распространени медленной плазменной волны, обеспечиваетс

168052

благодар выбору дл примесных ионов, а также выбором такой концентрации добавки водорода, при которой область трансформации быст-5 рой волны в плазменную находитс меж;с1;у зонами двойного циклотронного резонанса дл ионов т желой примеси и ионного циклотронного резонанса дл добавки водорода. Кроме того, в

0 случае дейтерий-трнтиевой плазмы

необходимо обеспечить выполнение услови Z/A - в противном

6(пу/П;)+1) - случае плазменна волна, не достиг- 15 нув зоны двойного ионного циклотронного резонанса дл примеси, трансформируетс в еще более мелкомасштабные колебани , энерги которых затем полностью поглощаетс электро- 20 нами.

Действительно, условие трансформации плазменной волны в мелкомасштабную волну может быть записано в виде 25 ,

.г г сОрт) УТТ

( и}(-1,1 Ы

гдец)-,., ujpj - плазменна частота дл ионов дейтери и трити : О - частота возбуждаемой

БМЗ волны;

,ОТ - ионна циклотронна частота дл дейтери и трити ;

,,VTT теплова скорость дл ионов дейтери и трити .

Из этого услови следует, что точка трансформации совпадает с точкой двойного ионного циклотронного резонанса дл т желой примеси если дл примесных ионов

he#«-, д liiv T

4+91fJ J

где ).

Дл типичных параметров плазмы в термо дерных реакторах, когда концентраци ионов трити пор дка кон- центрацин ионов дейтери , это выражение может быть представлено в приЗТ+2

6jumeHHOM виде Z/A

6(Т+1)

Благодар особенност м плазменной волны, а именно линейности пол ризации и мелкомасштабности, така волна сильно поглощаетс в зоне двойного циклотронного резонанса дл ионов т желой примеси, даже если их концентраци очень мала. По этой причине , за счет эффекта Допплера, волна полностью поглощаетс на подходе к зоне, где ее частота совпадает с двойной циклотронной частотой ионов т желой добавки. Это означает, что медленна плазменна волна поглощаетс только ионами с весьма большой тепловой скоростью вдоль направлени магнитного пол . При этом благо- дар использованию бегущей вдоль оси плазменного шнура электромагнитной волны поглощение происходит только на частицах, движущихс в одном направлении вдоль силовых линий магнитного пол . Этот эффект и обуславливает возникновение стационарного тока, при этом поскольку поглощение энергии осуществл етс на частицах со скоростью вдоль магнитного пол значительно большей, чем теплова скорость ионов, достигаетс макси- : мальна эффективность генерации ста- ционарного тока. Этот максимум имеет место, если скорость примерно в 5 раз больше тепловой скорости.

На фиг.1 показан плазменный шнур токамака, поперечный разрез; на фиг.2 схема, иллюстрирующа картину распространени БМЗ волны и поглощение ВЧ энергии в плазме, а также качественна зависимость поперечного показател преломлени N дл быстрой и медленной плазменной волн по диаметру плазменного шнура.

Система ввода - антенна 1 размещаетс с внутренней стороны тора. Возбуждение БМЗ волны 2 в плазменном шнуре 3 осуществл етс со стороны магнитного пол . Величина интенсивности потока ВЧ энергии к экваториальной плоскости 4 определ етс шириной заштрихованной области. Возбуждаема с помощью антенны 1 быстра мода БМЗ волны 2, распростран сь со стороны сильного магнитного пол через плазменный шнур, достигает зоны трансформации в плазменную волну, где практически вс ее энерги трансформируетс в энергию плазменной волны, котора выдел етс на подходе K30H« 5 двойного ионного циклотронного резонанса (ИЦР) дл т желой

20

216805Л

примеси. Лишь незначительна часть энергии возбужденной БМЗ волны, переносима быстрой модой,. просачиваетс через зону непрозрачности и достигает зоны 6 ИЦР, где поглощаетс ионами дейтери и водорода.

Рассмотрим возбуждение, распространение и поглощение бегущей БМЗ волны в плазменном шнуре токамака с

JQ параметрами Т-10 (большой радиус тора см, радиус плазменного шнура см, магнитное поле в центре шнура кЭ). В дейтериевую плазму токамака с температурой дей ., тронов Т-, КэВ и электронной концентрацией Пр 7,1 10 вводитс добавка водорода с относительной концентрацией 4% и температурой Т-, КэВ, добавка изотопа литиЯдЫ с относительной концентрацией 3% и температурой 6 КэВ. Отношение Z/A дл ионов изотопа лити равно 3/7 и соответствует соотношению

3nT/nEi2 /д 2.

25 6(пт/П5+1)

Частота возбуждаемой волны выбираетс равной двойной ионной циклотронной частоте изотопа лити в центре плазменного шнура. Возбуждаетс азимутальна мода с волновым числом по большому азимуту. Электронна температура в центре плазменного шнура равна 3 КэВ, т.е. вьш1е потенциала ионизации водородоподобного иона изотопа лити .

Процессы возбуждени и поглощени БМЗ волны, имеющие место в этом слу- чае, рассмотрим, использу результаты численного эксперимента, моделирующего расспространение и поглощение БМЗ волны в экваториальной плоскости 4. Расчеты провод т в цилиндрической системе координат с центром в точке пересечени оси тора с экваториальной плоскостью, причем угол направлен вдоль оси плазменного шнура . Профиль плотности дл плазмы и ее температура при этом выбираютс параболическими, а магнитное поле - измен юшз мс по закону . 0 Дл выбранных параметров плазмы положение характерных зон следующее: зона двойного ионного циклотронного резонанса дл изотопа лити распола-. гаетс около Ru. 150 см, зона цикло- 5 тронного резонанса дл ионов водорода - около см, зона трансформации быстрой моды БМЗ волны в медленную плазменную - около RTP

40

45

170 см. БМЗ волна, распростран сь поперек плазменного шнура со стороны сильного магнитного пол , проходит зону двойного ионного циклотронного резонанса дл изотопа лити и достигает зоны трансформации быстрой волны в плазменную ( см). В этой области быстра мода БМЗ волны почти целиком -трансформируетс в плазменную волну за один проход. Лишь незначительна дол энергии, примерно 3%, поглощаетс в зоне трансформации и в зоне циклотронного ре- зонанса дл ионов добавки водорода, основна же часть поглощаетс в зоне двойного циклотронного резонанса дл ионов т желой примеси. Таким образом , благодар введению добавки осуществл етс эффективна перекачка энергии БМЗ волны в энергию плазменной волны, поглощение практически полностью происходит на ионах т желой примеси, а не на электронах. Поглощение плазменной волны осуществл етс на подходе к точке двойного циклотронного резонанса дл изотопа лити . Резонансные ионы, в основном поглощающие энергию плазменной волны , имеют скорость вдоль направлени магнитного пол 910 см/с, что примерно соответствует услови м достижени максимальной эффективности генерируемого стационарного тока. Таким образом, диссипаци энергии осуществл етс полностью на ионах лити , причем достигаетс полна ассиметри поглощени (волна поглощаетс на частицах, движущихс в одном направлении и имеющих достаточно большие продольные скорости).

В качестве добавки используют ионы изотопа лити sLi. Возможно использование других элементов (фтора , изотопа углерода изотопа неона и т.п.).

Дл обеспечени поглощени энерги примесными частицами с надтепловыми скорост ми необходимо, чтобы концентраци ионов т желой примеси была не очень мала, в противном случае из-за малого количества этих частиц затухание настолько уменьшаетс ,что волна может проникать в область резонансных частиц, движущихс в противоположном направлении вдоль магнитного пол . Это приводит к компенсации токов и снижению эффективности генерации т(жа. Как следует из

0

5

0

численных расчетов, эта минимальна концентраци оказываетс весьма малой и составл ет от нескольких процентов дл ионов с относительно низким отношением Z/A до дес тых долей процента дл добавок с большим Z/A, Использование слишком большой концентрации т желой добавки приводит также к снижению эффективности генерации тока (в частности, если концентраци добавки такова, что эффективный зар д плазмы Z,,TO эффективность генерации тока стремитс к нулю), поэтому концентраци добавки не должна превьщ1ать значений, при которых ,3Z. Отсюда следует, что относительна концентраци добавки п Z. С точки зрени потерь из плазмы за счет излучений на примес х концентрации, удовлетвор ющие приведенньш услови м, не - вл ютс опасными из-за небольших приращений Zjcp .

В таблице приведено сравнение эффективности предлагаемого метода создани тока при использовании различных видов ионов т желой примеси.

Значени параметра определ ютс как отношение энергии, поглощенной т желой примесью Р,, к общей ВЧ мощности, вводимой в плазму, Р. Так как величина генерируемого тока I пропорциональна Р(), то эффективность генерации тока ,,/

Pgf, V. Как следует из таблицы, использование изотопов фтора и лити с Зп-г/пь+2 7/. ч /о

МпТУп ТУ Z/AO/2 дает достаточно высокое значение эффективносНе К

ти jt . Использование элемента .

Не К

С приводит к очень низкому значению J из-за слабого проникновени БМЗ волн в области циклотронного затухани дл этих примесей (энерги БМЗ волны в основном переходит в энергию плазменной волны, в области распространени которой эффекты циклотронного поглощени на таких при

мес х отсутствуют). в случае исполь- зовани 47 в дейтерий-трк- тиевой плазме низка эффективность

J обусловлена тем, что плазменна волна не достигает зоны циклотронного резонанса дл примеси молибдена из- за трансформации в более мелкомасштабную плазменную волну и последу10 ющего поглащени на электронах .

/V

1 I

tfz.2

Claims

СПОСОБ СОЗДАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ТОКА В ПЛАЗМЕ, преимущественно дейтериевой или дейтерий-тритиевой, в замкнутой магнитной ловушке путем введения в плазму примеси и возбуждения бегущей вдоль магнитного поля быстрой магнитозвуковой волны с частотой, равной ионной циклотронной частоте примеси, отличающийс я тем, что с целью повышения эффективности генерации стационарного тока, в качестве примеси вводят водород и вещество с отношением зарядового числа к массовому числу Z/A, соответствующим соотношению (Зп_т/пр+2)/6(пт/п-£|+1) < Z/Ad/2, где п_т, пр - отношение плотности ионов трития к плотности ионов дейтерия, быструю магнитозвуковую волну возбуждают со стороны сильного Mai— нитного поля, причем концентрацию водорода выбирают такой, чтобы происходила трансформация быстрой магнитозвуковой волны в медленную плаз менную между зонами двойных циклотронных резонансов для дейтерия и вещества примеси.

Q

Фиг 1 ,1216805