высокочастотный нагрев плазмы

Сотрудники кафедры и студенты активно участвуют в исследованиях, посвященных развитию  методов  высокочастотного нагрева плазмы, которые развиваются в ФТИ им. Иоффе в лаборатории  Физики высокотемпературной плазмы. Дело в том, что эффективность  омического нагрева плазмы протекающим током в токамаке-реакторе уменьшается с ростом  ее температуры. Поэтому для достижения термоядерных  температур необходимы  использование  и разработка методов дополнительного нагрева плазмы. В настоящее время в рамках лаборатории существует группа ВЧ методов нагрева плазмы. На всех токамаках  лаборатории ( ФТ-1, ФТ-2, Туман-3, Глобус-М) в разное время  проводились эксперименты  по нагреву плазмы  в электронно-циклотронном , нижне-гибридном и ионно-циклотронном  диапазонах частот. Успеху этих исследований способствовали работы теоретической группы лаборатории.

Электронно-циклотронный  метод  нагрева основан на поглощении электромагнитной  (ЭМ) энергии электронами в режиме циклотронного резонанса.  Для современных установок этот метод использует излучение в диапазоне  частот 50-100 ГГц. Практическое применение и перспективы метода стали возможными  после разработки в СССР нового типа генерирующих приборов –гиротронов, которые сочетали в себе выходную мощность в сотни киловатт на столь высоких частотах. За практическое применение и первые эксперименты с использованием гиротронов заведующий лабораторией В.Е.Голант  был удостоен  Государственной  Премии.

                Нижне-гибридный  способ нагрева плазмы предполагает более сложные механизмы поглощения ЭМ энергии электронами и ионами. Практический диапазон частот лежит в пределах 1-10 ГГц. Высокий уровень используемых ВЧ мощностей  обеспечивается генераторными приборами типа клистрон и магнетрон.  Теоретические ожидания высокой эффективности нагрева ионов в экспериментах на токамаках, в том числе на ФТ-1 и ФТ-2, не оправдались.  Оказалось, что при распространении в плотной плазме, волна испытывает нелинейные, параметрические распады на дочерние, более низкочастотные волны, которые  «бесполезно» теряют свою энергию на периферии плазменного разряда. С другой стороны, этот тип волн, в полном соответствии с предсказаниями теории, при определенных условиях обладает высокой эффективностью генерации неиндукционного тока в токамаках  при взаимодействии волны с электронами за счет затухания  Ландау. Это направление исследований являлось  основным для токамака ФТ-1. В последние годы подобные эксперименты перенесены на сферический токамак Глобус-М. Для сферических токамаков эксперименты по генерации тока имеют ряд особенностей и являются пионерскими.

                Самым низкочастотным (10-50  МГц) и наиболее хорошо изученным является метод нагрева ионов плазмы с использованием ионно-циклотронного  резонансного механизма поглощения волны. В нашей лаборатории этот метод исследовался на токамаке Туман-3 , а в последнее время – на установке Глобус-М, где получены также новые, интересные  результаты. Для сферических токамаков подобный эксперимент является пока единственным. Приведенный рисунок показывает эволюцию ионной температуры в режимах омического разряда и с использованием ВЧ нагрева. Здесь же изображен результат численного моделирования (сплошная линия).

Дьяченко1

                 Эксперименты по генерации тока и ионноциклотронному нагреву на установке Глобус-М  продолжаются в направлении разработки новых антенных устройств, повышению уровня вводимой ВЧ мощности, увеличению эффективности этих методов. На фото представлена  десятиволноводная антенна — сфазированная решетка, разработанная и используемая в экспериментах по генерации тока на установке Глобус-М.

image003

Дополнительную информацию можно найти в следующих публикациях:

  1. N.Shcherbinin, V.V.Dyachenko, F.V.Chernyshev, V.K.Gusev, Yu.V.Petrov, N.V.Sakharov, V.M.Leonov, Numerical modeling and experimental study of ICR heating in the spherical tokamak Globus-M. Nuclear Fusion, 46, (2006), S592-S597
  2. V.Dyachenko, O.N.Shcherbinin, E.Z.Gusakov et al. The first lower hybrid current drive experiments in the spherical tokamak Globus-M. Nucl.Fusion 55 (2015) 113001