Результаты экспериментов на ЭЦР нагреву

В 2014 году на ГДЛ была проведена серия успешных экспериментов по электронно-циклотронному резонансному (ЭЦР) нагреву плазмы. Цель эксперимента заключалась в отработке сценария комбинированного нагрева плазмы нейтральными пучками (НИ) мощностью 5 МВт и ЭЦР нагрева мощностью до 0.7 МВт, исследовании физических механизмов наблюдающейся при таком нагреве магнитогидродинамической неустойчивости плазмы и поиске способов ее подавления.

Система ЭЦР нагрева на установке ГДЛ состоит из двух импульсных гиротронов с частотой 54,5 ГГц и измеренной на входе в плазму мощностью 300 и 400 кВт. Каждый из гиротронов запитан от специально разработанных высоковольтных источников питания, формирующих прямоугольный импульс высоковольтного напряжения амплитудой 70 кВ (при стабильности не хуже 0,5%), током до 25 А, длительностью до 3 мс. Излучение гиротронов подводится по отдельным закрытым квазиоптическим линиям и вводится в вакуумную камеру в окрестности двух магнитных пробок как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема ЭЦР нагрева плазмы в ГДЛ.

Для создания оптимальных условий для ЭЦР нагрева требуется повышение магнитного поля в отдельных катушках, расположенных вокруг области поглощения. Дополнительный ток, необходимый для реализации эффективного поглощения на противоположных концах ловушки, был получен за счет снижения магнитного поля в основном теле ловушки (с 0,35 до 0,27 Т в центре установки). Такое возмущение магнитной конфигурации привело к существенному ухудшению удержания плазмы, в частности без ЭЦР нагрева температура электронов снизилась с 250 эВ до 150 эВ.

В такой магнитной конфигурации было оптимизированы два сценария ЭЦР нагрева. Первый сценарий оптимизировался для повышения времени жизни горячих ионов, получающихся при захвате плазмой нагревных нейтральных пучков. Этот режим характеризовался поглощением излучения гиротронов почти по всему сечению плазмы. Что приводило к увеличению температуры электронов во всём объёме плазмы.

Рис. 2. Увеличение нейтронного потока при ЭЦР нагреве плазмы в ГДЛ.

Так как время жизни горячих ионов пропорционально температуре электронов в степени 3/2, при ЭЦР нагреве значительно возрастало энергосодержание плазмы и поток нейтронов D-D синтеза, получающихся при столкновениях между горячими ионами (рис. 2). Стабильный разряд в этом режиме удалось получить при мощности ЭЦР нагрева не превышающей 400 кВт. Электронная температура на оси ГДЛ достигала 200 эВ.

Рис. 3. Спектр томсоновского рассеяния лазерного излучения электронами плазмы на оси ГДЛ, усредненный по серии выстрелов. В правом верхнем углу один из рекордных выстрелов.

Второй сценарий оптимизировался для получения максимальной электронной температуры. В этом режиме основная часть СВЧ мощности, захваченной плазмой, поглощалась в узкой приосевой области. Поэтому при включении гиротронов за несколько сотен микросекунд формировался разряд с центральной температурой от 600 эВ до 1 кэВ (рис. 3). Несмотря на то, что радиальный профиль температуры был сильно пикированным, баланс энергии показал, что удержание плазмы в приосевой зоне происходит в газодинамическом режиме, радиальный транспорт и классическая продольная (спитцеровская) электронная теплопроводность при этом сильно подавлены. Измерения методом томсоновского рассеяния показали, что энергия перераспределяется между тепловыми электронами, то есть речь идет именно об электронной температуре, а не об энергии, запасенной в «хвосте» энергичных электронов. В ходе этих экспериментов на установке ГДЛ была достигнута рекордная для открытых систем электронная температура в квазистационарном (~ 1 мс) разряде, при этом впервые параметры плазмы приблизились к значениям, сопоставимым с тороидальными системами.

Рис. 4. Эволюция электронной температуры плазмы в эксперименте на ГДЛ.

Это обстоятельство позволило нам сделать вывод о хороших перспективах для термоядерных приложений на базе открытых ловушек. Для сравнения на рис. 4. приведен график, отражающий прогресс увеличения электронной температуры в экспериментах на установке ГДЛ за 25 лет существования установки.

Резкое и значительное увеличение электронной температуры при включении ЭЦР нагрева приводит к развитию МГД неустойчивости плазмы желобкового типа. Для подавления этой неустойчивости в стандартном разряде ГДЛ (без ЭЦР нагрева) используется метод «вихревого удержания». Он заключается в том, что к периферии плазмы прикладывается постоянный электрический потенциал, заставляющий её вращаться в скрещенных электрическом и магнитном полях. Для эффективного подавления поперечных потерь при развитии желобковой неустойчивости прикладываемый радиальный потенциал должен быть сопоставим с температурой электронов. При сильном увеличении температуры плазмы при ЭЦР нагреве это условие может нарушаться. Для решения этой проблемы был применён метод ступенчатого повышения радиального потенциала, отслеживающий увеличение температуры при включении ЭЦР нагрева. В результате удалось реализовать относительно устойчивый ЭЦР нагрев плазмы мощностью 700 кВт в течение времени, сопоставимого с полной длительностью разряда в установке.

Демонстрация разряда с рекордно высокой электронной температурой стала возможной за счет выработки оптимальных сценариев ЭЦ нагрева плазмы необыкновенной волной на первой гармонике в основном объеме ловушки. Этот результат дает надежную основу для создания реакторов ядерного синтеза на базе открытых ловушек, имеющих простейшую с инженерной точки зрения осесимметричную конфигурацию магнитного поля. Ближайшим приложением таких реакторов может быть мощный источник нейтронов от реакции синтеза ядер дейтерия и трития, который необходим для решения ряда задач термоядерного материаловедения, а также управления подкритичными ядерными реакторами, включая устройства для уничтожения радиоактивных отходов.