Корреляция между макропараметрами плазмы и характеристиками флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-II тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Петров, Александр Евгеньевич

• Петров, Александр Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Петров, Александр Евгеньевич

Введение.

Глава 1. Обзор экспериментов по исследованию флуктуаций плотности плазмы в тороидальных установках диагностикой микроволнового рассеяния.

1.1. Необходимость исследования флуктуаций плотности плазмы в тороидальных установках.

1.2. Физические основы диагностики микроволнового рассеяния.

1.3. Расчетные основы диагностики.

1.3.1. Передача мощности рупорно-линзовыми антеннами.

1.3.2. Оценка мощности, рассеянной на флуктуациях плотности плазмы.

1.3.3. Экспериментальное определение спектральной плотности и чувствительности методики.

1.4. Принципы проектирования диагностики микроволнового рассеяния.

1.5. Исследования флуктуаций плотности плазмы в стеллараторах методом микроволнового рассеяния.

1.5.1. Исследование флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе Л-2.

1.5.2. Исследование флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе ATF.

1.5.3. Исследование флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-1U.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Корреляция между макропараметрами плазмы и характеристиками флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-II»

Диссертационная работа связана с одной из фундаментальных проблем, существующих в физике плазмы, - определением параметров плазмы в тороидальных установках (стеллараторах и токамаках) и их связи с флуктуациями плотности в этой плазме. К настоящему времени общепризнанным фактом считается то, что диффузия частиц и теплопроводность в токамаках и стеллараторах зависит от интенсивности флуктуаций плотности плазмы, электрического поля и температуры частиц [см., например, 1,2]. Поэтому информация о характеристиках флуктуаций, о связи этих характеристик с различными макропараметрами плазмы является принципиально важной для решения фундаментальных задач и прикладных проблем, связанных с удержанием высокотемпературной плазмы в термоядерных установках.

Задачей данной работы является исследование корреляции между макропараметрами плазмы и характеристиками флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-II (Мадрид, Испания)

Исследования флуктуаций высокотемпературной плазмы в центре плазменного шнура существенно ограничены сложностью диагностической техники. На больших термоядерных установках такие диагностики должны быть бесконтактными и располагаться на больших расстояниях. В настоящее время успешно развиваются следующие диагностики - это, в первую очередь, диагностики методом рассеяния в плазме лазерного [3] и СВЧ излучения [4,5], а также диагностика «Heavy ion beam probe» (HIBP) или зондирование пучком тяжелых ионов [6]. Эти диагностики дополняют друг друга, потому что измерения проводятся в разных областях плазменных шнуров, в которых определяются разные пространственные масштабы ч пульсаций. Диагностика микроволнового рассеяния в плазме, которая является основным методом исследования в данной диссертации, позволяет исследовать флуктуации плотности плазмы в широком диапазоне волновых чисел в заданной области плазменного шнура, а в случае многоканального исполнения сравнивать флуктуации плотности в различных областях плазмы и/или изучать их интегральные характеристики [7]. В диагностиках микроволнового рассеяния на флуктуациях плотности плазмы широко используется излучение миллиметрового диапазона длин волн, частота которого выше частоты отсечки для плазмы большинства установок. Наиболее часто применяется излучение с длиной волны \~2 мм (впервые в токамаках [8,9]), что и определило название «диагностика 2-мм рассеяния».

Особенный интерес представляет исследований флуктуаций в стеллараторах, связанное с необходимостью учета турбулентного переноса в балансе частиц в рамках неоклассической теории. С целью исследования флуктуаций плотности высокотемпературной плазмы в стеллараторах в отделе физики плазмы ИОФ РАН были разработаны диагностики 2-мм рассеяния в стеллараторах Л-2 [10], ATF [11], TJ-IU [12]. Полученный опыт работы позволил разработать и создать диагностику 2-мм рассеяния для исследования флуктуаций плотности плазмы в стеллараторе TJ-II со сложной трехмерной геометрией плазменного шнура.

Разработанная диагностика 2-мм рассеяния явилась основой данной диссертации, которая позволила в ряде физических экспериментов получить важные результаты по исследованию характеристик флуктуаций плотности плазмы и их связи с макропараметрами плазмы в стеллараторе TJ-II.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Петров, Александр Евгеньевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для стелларатора TJ-II разработана и создана диагностика 2-мм рассеяния. Эта диагностика позволила провести исследования низкочастотных флуктуаций плотности плазмы с волновыми векторами к=3 см"1 и к=6 см"1 на середине радиуса плазменного шнура и сравнить параметры флуктуаций с макропараметрами плазмы.

1. Показано существование в стеллараторе TJ-II мелкомасштабных флуктуаций плотности плазмы со сплошными широкополосными частотными спектрами с полуширинами до 300-500кГц, амплитуды которых, их спектральные и корреляционные характеристики зависят от плотности, температуры электронов, конфигурации магнитного поля и других макропараметров плазмы TJ-II.

2. Показано, что увеличение амплитуды и сужение спектра флуктуаций плотности плазмы связано со снижением температуры электронов в области рассеяния. Это увеличение амплитуды и сужение спектра проявляется одинаково для разных способов снижения электронной температуры: при выключении электронно-циклотронного (ЭЦР) нагрева плазмы, при срыве разряда, с приходом фронта охлаждения при напуске холодного азота в камеру. Спектр флуктуаций плотности сужается в 3-5 раз при снижении температуры в 10-12 раз.

3. Только в конфигурациях магнитного поля стелларатора TJ-II с магнитными островами наблюдаются гармоники с частотами 20-40 кГц и интенсивностями, превышающими уровень фонового спектра в 5-7 раз, в широкополосных спектрах флуктуаций плотности плазмы. В этих конфигурациях низкочастотные колебания флуктуаций плотности в диапазоне десятков килогерц, измеренные диагностикой 2-мм рассеяния, имеют взаимную корреляцию с высоким уровнем коэффициента взаимной корреляции, доходящим до 50%, с МГД-колебаниями, измеряемыми магнитными зондами,. Впервые по временному сдвигу взаимно-корреляционной функции показано распространение возмущений от периферии к центру шнура со скоростью, составляющей 0,5-1-106 см/с.

4. По величине временной задержки между напуском холодного азота и увеличением амплитуды флуктуаций была определена скорость распространения холодного фронта, составившая 50-80 км/с. Показано, что охлаждение плазмы при напуске холодного азота происходит по баллистическому, а не по диффузионному механизму.

5. Показано, что изменение амплитуды и частотного спектра флуктуаций плотности плазмы коррелирует с изменением не только величины, но и радиального профиля температуры электронов. При дополнительном к

ЭЦР нагреве плазмы инжекцией нейтрального пучка было показано, что при выравнивании радиального профиля температуры электронов, когда dTe/dn<2/3, уровень флуктуаций снижается до уровня шума. Это позволяет определить природу раскачки флуктуаций плотности плазмы при ЭЦР-нагреве как ETG-моду. Указанная ETG неустойчивость подавляется при дополнительном нагреве инжекцией нейтрального пучка.

В результате проведенных исследований показана корреляция между микропараметрами (мелкомасштабными флуктуациями плотности плазмы) и макропараметрами (плотностью, температурой электронов, конфигурацией магнитного поля) плазмы в стеллараторе TJ-II.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Петров, Александр Евгеньевич, 2010 год

1. V.Yu. Korolev and N.N. Skvortsova. (Eds) "Stochastic Models of Structural Plasma Turbulence". VSP, Leiden Boston, The Netherlands. 2006.

2. B.B. Буланин, С.В.Лебедев, Л.С. Левин, B.C. Ройтерштейн. Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке Туман-ЗМ при наклонном падении зондирующего излучения// Физика плазмы. 2000. Т. 26. С. 867.

3. E.Z. Gusakov. Evolution of ETG-mode scale turbulence spectra and anomalous electron transport in dynamic experiments at FT-2 tokamak. EX/102Rb-2008 IAEA FEC 2008.

4. L.I. Krupnik, A.V. Melnikov, C. Hidalgo, L.G. Eliseev, A.A. Chmyga, A.D.

5. А.Г. Жуковский. Флуктуации плотности плазмы. М.: Энергоатомиздат. 1993.

6. Mazzukato Ernesto. Small-scale density fluctuations in the adiabatic toroidal compressor. Phys.Rev.Lett., 1976, v.36, n.14, p.792-794

7. Mazzukato Ernesto. Turbulent fluctuations with the electro gyro-scale in the NSTX experiment. IAEA FEC 2008, EX/102Ra

8. Г.М. Батанов, K.M. Ликин, К А Сарксян, М.Г. Шац. К вопросу о дрейфовой турбулентности бестоковой плазмы в стеллараторе Л-2 при ее электронном циклотронном нагреве. // Физика Плазмы. 1993. 19. С. 1199-1209.

9. К.М. Likin, J. Sanchez, B. Branas, K.A. Sarksian. Measurements of density fluctuations by 2-mm scattering diagnostic in TJ-1U torsatron. // X Inter. Workshop, on Stellarators (Madrid), 1995, P.216.

10. В.П. Пастухов «Уравнение нелинейной МГД конвенции» Физика плазмы.2005,31, 1-14

11. JI.A. Арцимович. Замкнутые плазменные конфигурации. М. Наука. 1969.

12. JI.A. Арцимович, Р.З. Сагдеев. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат. 1979

13. М. Shimada, V. Mukhovatov, G. Federici Y. Gribov, A. Kukushkin, Y. Murakami, A. Polevoi, V. Pustovitov, S. Sengoku and M. Sugihara. Performance of ITER as burning plasma experiment. // Nucl. Fusion. 44(2). 2004. P.350-356. http://www.iter.org/

14. C.E. Гребенщиков, И.С. Данилкин, А.Б. Минеев. Моделирование энергобаланса плазмы в стеллараторах. Гибридная модель неоклассического переноса» Физика плазмы. 1996, 22, с.608-612.

15. JI.M. Коврижных. Моделирование транспортных процессов в стеллараторах. Физика плазмы .2006.,т.32.№12, с.988-995.

16. С. Hidalgo. Edge Turbulence and Anomalous Transport in Fusion Plasmas. // Plasma Phys. Control Fusion. 1995. 37. P. A53-A67.

17. Г.М. Батанов, В.Е. Бенинг, В.Ю. Королев, А.Е. Петров, А.А. Пшеничников, К.А. Сарксян, Н.Н. Скворцова, Н.К. Харчев, Ю.В. Хольнов. Структурная плазменная низкочастотная турбулентность в стеллараторе Л-2М.//Письма в ЖЭТФ, 2003. 78. С. 974-983.

18. Akihide Fujisawa. Transport barriers and bifurcation characteristics in stellarators. // Plasma Phys. Control Fusion, 2001, v.44, P. A1-A18.

19. P. Hennequin, R. Sabor, C. Honnore, G.T. Hoang, X. Garbet, A. Trie, C. Fenzi, A. Quemeneur. Scalling laws of density fluctuations at high-k on Tore Supra. Plasma Physics Control Fusion. 46 (2004) B121-B135.

20. F. Wagner. A quarter-century of H-mode studies. Plasma Phys. Control. Fusion. 2007, v.49, B1-B33

21. А.Б. Михайловский. Теория плазменных неустойчивостей. Т. 1,2. М.: Атомиздат.1971.

22. А.Б. Михайловский. Неустойчивости плазмы в магнитных ловушках. М.: Атомиздат. 1978.

23. Кадомцев Б.Б., Погуце О.П. Турбулентные процессы в тороидальных системах // Вопросы теории плазмы. Под ред. Леонтовича М.А. Вып. 5. - М.: Атомиздат. 1967. - С. 209 - 350.

24. Хортон В. Дрейфовая турбулентность и аномальный перенос // Основы физики плазмы. Под ред. Галеева А.А. и Судана P. Т.2. - М.: Энергоатомиздат. 1984. - С. 362 - 433.

25. А.Ф. Александров, Л.С. Богданкевич, А.А. Рухадзе. Основы электродинамики плазмы. М.: Высшая школа. 1978.

26. W. Dorland, F. Jenko, М. Koschenreuther, B.N. Rodes. Electron temperature gradient turbulence. Phys. Rev. Lett. V. 38, 26. 5579-5583. 2000.

27. Б.Б. Кадомцев, О.П. Погуце. Диссипативная неустойчивость на запертых частицах в плотной плазме. // ДАН СССР. 1969. 186. С.553-557.

28. Tobias Gorier, Frank Jenko. From electron tp ion scales nonlinear gyrokinetik multiscale simulations/. 15-19 September 2008, Wolfgang Pauli1.stitute (WPI), Vienna.

29. Гусаков Е.З., Попов А.Ю. (ФТИРАН, Санкт-Петербург) Нелинейная теория радиальной корреляционной рефлектометрии. // XXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 2002 г. http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XXIX/ZvenXXIX.html

30. Novik К.М., Pilia A.D.//Plasma Phys. Enhanced microwave scattering in plasmas. Control. Fusion. 1994.V.35. P.357.

31. V. Yu. Korolev and N.N. Skvortsova. (Eds) "Stochastic Models of Structural Plasma Turbulence". VSP, Leiden Boston, The Netherlands. 2006.

32. Абраков B.B., Петров A.E., Сарксян K.A., Скворцова Н.Н. Экспериментальные исследования тонкой структуры ионно-звуковой турбулентности замагниченной плазмы с током // Физика плазмы. 1994. -Т. 20.-С. 1069-1076.

33. Буланин B.B., Лебедев C.B., Левин Л.С., Ройтерштейн B.C. Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке Туман-ЗМ при наклонном падении зондирующего излучения. Физика плазмы. 2000. Т. 26. С. 1.

34. Mazzukato Ernesto. Spectrum of small-scale density fluctuations in tokamaks. Phys.Rev.Lett., 1982, v.48, n.26, p. 1828-1830

35. Дж. Шеффилд. «Рассеяние электромагнитного излучения в плазме»., Атомиздат, 1978

36. А.Г. Жуковский. Флуктуации плотности плазмы. М.: Энергоатомиздат. 1993

37. Маркузе. Оптические волноводы, М., Наука, 1975

38. R.E.Slusher, C.M.Surko. Study of density fluctuations in plasmas by small-angle C02 laser scattering . Phys. Fluids, 23, 472(1980)

39. C. Hidalgo, B.Ph. van Milligen, M.A. Pedrosa, E. Sanchez, et al. On the radial structure of fluctuations and turbulence induced flows. // J. of Plasma Fusion and Research (JPFR Series). 1998. 1. P. 96-98.

40. Генератор дифракционного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / И.М. Балаклицкий, Б.К. Скрынник, О.А. Третьяков и др. // Украинский Физический Журнал, 1969, т. 14, №4, с.539-552

41. Г.М. Батанов, JIB. Колик, K.A. Сарксян, K.M. Ликин, М.Г. Шац . Комбинационное рассеяние СВЧ излучения при ЭЦР нагреве плазмы на стеллараторе Л-2. //Физика плазмы. 1986. 12(9). С. 1027-1032.

42. G.M. Batanov, К.А. Sarksian, A.V. Sapojnikhov, N.N. Skvortsova, M.G. Shats. Spectra and correlation functions of drift and ion-sound turbulence. IV Inter. Conf. on Nonlinear and Turbulent Processes in Physics. Kiev. 1989. 1. P.231-234.

43. Шац М.Г. Мелкомасштабные колебания горячей плазмы в стеллараторе JI-2. Москва, 1990, кандидатская диссертация

44. Малых Н.И., Ямпольский Е.С, Малых Л.Я., Харасевич А.И. Быстродействующий фазометр субмиллиметрового диапазона волн. Научно-технический отчет. Сухумский физ.-техн, институт, 1969г.

45. Ревин И.Д., Скрынник Б.К., Черпак Г.П., Шестопалов В.П. Генераторы дифракционного излучения в квантовой радиофизике миллиметрового диапазона длин волн. Харьков, 1985, препринт Института радиофизики и электроники №263

46. Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т. 1,2. М.: Мир, 1983.

47. Стохастические модели структурной плазменной турбулентности. Сборник статей. Под редакцией В.Ю.Королева и Н.Н.Скворцовой. Москва, МАКС-Пресс, 2003

48. Е.З.Гусаков, А.В.Сурков. Эффективность усиленного рассеяния микроволн на высокочастотных флуктуациях плотности плазмы. Письма в ЖТФ, 2003, т.29, вып. 16, с.89-93

49. The JET Team ."Studies of Energy and Particle Transport in JET" Proc. 15th Jnt. Conf. on Plasma Physics and Controlled Fusion Research Seville, 1994,1, 307.Published by IAEA, Wien (1995)

50. P. Gallia, A. Cherubini, R. De Angelisb, F. De Lucaa, M. Erbac, R. Giannella, G. Gorinia, A. Jacchiad, H. Jackel, P. Manticad, V.V. Parail, L. Porte and A.

51. Taroniio Transient heat transport studies using laser ablated impurity injection in JET. 1998 Nucl. Fusion 38 1355-1371

52. Cordey J.G., Miur D., Neudatchin S.V., et. al., Nucl. Fusion 1995 35 101

53. Диагностика плазмы под редакцией Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. Москва, Мир, 1967, с. 60-93.

54. В.В.Буланин. Диагностика высокотемпературной плазмы. Санкт-Петербург, изд-во Политехнического университета, 2008

55. J. A. Jimenez, E. de la Luna, I. Garcia-Cortes, F. L. Tabares, B. Branas, F. Castejon, D. Tafalla, F. Medina, M. Ochando, B. Zurro, J. Romero, E.

56. Ascasibar and TJ-II Team. Influence of resonances on ELM-like events at TJ-II. Proc. 13th Stell. Workshop, Canberra 2002, P2.A8.

57. A. Lopez-Fraguas, E. Ascasibar, J. A. Romero, I. Garcia-Cortes,J. A. Jimenez, A. Lopez Sanchez,J. Qinl, M. Otte and TJ-II Team. Magnetic Surface Mapping in TJ-II Heliac. Proc. 13th Stell. Workshop, Canberra 2002. Paper PI:6.

58. A.E. Петров, K.A. Сарксян, H.H. Скворцова Микроволновая диагностика коллективного рассеяния для исследования низкочастотных турбулентных флуктуаций плотности плазмы в современных стеллараторах. Научный вестник МИРЭА 2009, №2 (7), стр.42-50.