Способ высокочастотного нагрева плазмы

Способ высокочастотного нагрева плазмы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к проблеме нагрева плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза в замкнутых магнитных ловушкаху например токамаках. Целью изобретения является повышение эффективности нагрева плазмы при повьпиенных уровнях мощности. В дейтериевую плазму, находящуюся в неоднородном магнитном поле, инжектируют атомы изотопа Не и возбуждают быструю магнитозвуковую волну на частоте ионов этого изотопа Вблизи оси плазменного шнура. Для повышения эффективности нагрева в плазму добавляют водород с относительной концентрацией , удовлетворяющей соотношению 2(2f+5)x ((4f +7)(4 +1) п„/п,10/7, где . - отношение малого радиуса плазменного тора к большому; п,,- концентрация протонов; Пдконцентрация дейтонов. с 9 (Л со ел о О5 05 го

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 С 21 В 1 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4054808/24-25 (22) 10.04.86 (46) 07.11.87. Бюл. № 41 (72) А.В.Лонгинов, С.С.Павлов и К.Н.Степанов (53) 533.9(088.8) (56) Авторское свидетельство. СССР № 342560, кл. Н 05 Н 1/00, 1975.

Авторское свидетельство СССР № 719332, кл. G 21 В 1/00, 1978. (54) СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА

ПЛАЗМЫ (57) Изобретение относится к проблеме нагрева плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза в замкнутых магнитных ловушках, „„SU„„1350662 A1 например токамаках. Целью изобретения является повышение эффективности нагрева плазмы при повышенных уровнях мощности. В дейтериевую плазму,, находящуюся в неоднородном магнитном поле, инжектируют атомы изотопа

Не и возбуждают быструю магнитозвуковую волну на частоте ионов этого изотопа "вблизи оси плазменного шнура.

Для повышения эффективности нагрева в плазму добавляют водород с относительной концентрацией и, удовлетворяющей соотношению 2(2Е+5)х (1-2 F) / (4 E +? ) (4 Е +1) (n „/и р c 10/7, где E — отношение малого радиуса плазменного тора к большому; у

И

n„- концентрация протонов; п — концентрация дейтонов.

135066

Изобретение относится к способам высокочастотного (ВЧ) нагрева плазмы и при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза на основе магнитыого удержания может быть исполь5 зовано как метод дополнительного нагрева плазмы в замкнутых магнитных ловушках, в том числе в токамаках и стеллараторах. 10

Целью изобретения является повышение эффективности нагрева плазмы при повышенных уровнях вводимой в плазму ВЧ-мощности.

В случае достаточно большой темпе- 15 ратуры ионов Не по сравнению с температурой ионов основной плазмы (это отличие обусловлено ионами Не ) эффекты трансформации быстрой моды в медленную в 1-й зоне трансформации оказываются относительно слабыми.

Кроме этого, при повышенной концентрации ионов Не (это повышение необэ ходимо при увеличении мощности, вводимой в плазму) поглощение БМЗ вол- 2Б ны в области ионно-циклотронного ре.:зонанса (ИЦР) также относительно слабо. В связи с этим определяющими в формировании профиля энерговыделения являются эффекты, связанные с кон- З0 версией быстрой волны в плазменную в зоне 2-й трансформации. Основная часть энергии возбуждаемой БМЗ волны переходит в энергию плазменной волны, которая распространяется от

2-й зоны конверсии в сторону увеличения магнитного поля, приближаясь

K основному ИЦР для Не . В случае достаточно высокой температуры добавКЙ Не (Т 1е3 >> Tg ) плазменная Вол 40 на обладает особенностью,заключающейся в том,что она может распространяться вплоть до зоны основного

ИЦР для Не . Поскольку в этой области медленная плазменная волна 4> имеет очень малую длину (параметр

К р 1, где К вЂ” поперечное волновое число: p — ларморовский радиус для ионов Не ), то проявляется эффект обрезания хвоста функции распределения резонансных частиц, заключающийся в том,что в области энергии Е )

Я8,5 T -/ (K рр ) количество резонансных частиц пренебрежимо мало,а функция распределения при меньших энергиях имеет вид,близкий к плате.

Это приводит к тому,что pesKo ослабляются потери энергии из плазмы, обусловленные уходом резонанс2 2 ных частиц с высокими энергиями из магнитной ловушки за счет эффекта банановых орбит. Такое преимущест-. во важно для токамаков с малыми размерами либо с низким значением магнитного поля и особенно для стеллараторов, для которых эффекты, связанные с банановыми траекториями, значительно сильнее,чем для токамаков. Эффект обрезания приводит также к тому,что торможение резонансных частиц происходит в основном на ионах основного газа и относительно слабо на электронах. Это повышает скорость кулоновского обмена между резонансными и основными ионами и повышает предельный уровень вводимой в плазму мощности, идущей на нагрев основных ионов. Вохможность значительного увеличения предельного уровня мощности определяется кроме того, возможностью использования существенно большей концентрации ионов резонансной добавки (до 20-307) вследствие того, что затухание плазменной волны в зоне для Не благодаря ее мелкомасштабности и линейности поляризации не уменьшается с ростом кон-! центрации,в то время как в этих условиях поглощение быстрои моды за счет основного ИЦР для Не сущест3 венно ослабляется.

Таким образом, помимо повышения эффективности нагрева, связанного с уменьшением потерь, становится воз- можным осуществление режима с увепиченной предельной мощностью, идущей непосредственно на нагрев основных ионов как за счет эффекта обрезания хвостов.

В качестве примера конкретного использования способа рассмотрим возбуждение, распространение и поглощение. БЗМ волны в плазменном шнуре токамака "Туман-3" с параметрами .большой радиус тора R = 55 см, радиус плазменного шнура а = 20 см,магнитное поле в центре шнура Н, = 5 кЭ.

Система ввода размещается с внутренней стороны тора, т.е. возбуждение БЗМ волны в плазменном шнуре осуществляется со стороны сильного магнитного поля. В дейтериевую плазму токамака с температурой дейтонов

Т, = 200 эВ и электронной концентрацией в центре шнура и = 3 ° 10 " см вводится добавка водорода с температурой Т;„ = 200 эВ и относительной

Составитель В.Чуянов

Техред И.Попович

Редактор И.Николайчук

Корректор Г.Решетник

Заказ 5285/48 Тираж 395 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 з 13 концентрацией = 0 5 удовлетворяющей соотношению 2 (2Е +5)(1-2 E )/

/(4 Е +7) (4 Е +1) < q (10/7 (действительно, для токамака "Туман-4" аспектное отношение E - =a/Ro = 0,36 и, следовательно, 2(2 Р +5) (1-2 E ) /

/(4 Ы +7) (4Е +1) = 0,15 и добавка изотопа гелия Не с относительной концентрацией п < y/n = 0,1 и температурой 1 КэВ. Частота возбуждаемой волны выбирается равной 5,4

МГц. Такое значение частоты обеспечивает расположение зоны основного

ИЦР для изтопа гелия Не вблизи э плазменного шнура.

Возбуждаемая с помощью антенны быстрая мода БЗМ волны, распространяясь внутрь плазменного шнура, достигает зоны 1-й трансформации, в которой эффекты генерации плазменной .волны слабо проявляются.Распространяясь далее, быстрая мода приближается к зоне 2-й трансформации, где практически полностью трансформируется в плазменную волну, распространяющуюся в сторону увеличения магнитного поля и уносящую энергию к зоне ИЦР для Не . В этой зоне энергия плазменной волны полностью поглощается.

Таким образом, практически вся вводимая в плазму энергия выделяется в центральных областях плазмен ного шнура, причем эта энергия пЬглощается ионами изотопа Не за счет затухания медленной волны в отличие от известного способа, при использовании которого ионы изотопа Не поглощают энергию за счет затухания быстрой волны.Это позволяет осуществить силовые эксперименты с большой мощностью, передаваемой от резонансных ионов

Не непосредственно основным ионам

50662

4 плазмы, и существенно снизить потери энергии, уносимой резонансными ионами, имеющими конечные банановые орбиты, на стенку камеры.

Предельная мощность при использовании предлагаемого способа может более чем на порядок превышать аналогичную величину для известного способа.

Кроме того, предлагаемый способ в ловушках с умеренными размерами позволяет существенно снизить потери энергии, уносимой резонансными ионами за счет дрейфа по банановым траекториям на стенку камеры. В результате в процессе ВЧ-нагрева плазмы значительно повышается эффективность преобразования ВЧ-энергии в тепловую энергию дейтонов при повышенных уровнях вводимой ВЧ-мощности.

Формула изобретения, Способ высокочастотного нагрева

25 плазмы, преимущественно дейтериевой, находящейся в неоднородном магнитном поле токамака, включающий инжекцию изотопа гелия Не3 и во бу дение быстрой магнитозвуковой волны на дб частоте, соответствующей основной циклотронной частоте для ионов этого изотопа, отличающийся тем,что, с целью повышения эффективности нагрева плазмы при повышенных уровнях вводимой высокочастотной мощности, в плазму добавляют водород с относительной концентрацией п„/пп, удовлетворяющей соотношению

2(2E +5) (1-2 Е )/(4Е +7) (4Е +1) (n„/

4Q /и в 10/7 где Š— отношение малого радиуса плазмы к большому (аспектное отношение);

n „ — концентрация протонов; и — концентрация дейтонов,