Особливості розподілу електромагнітних полів в неоднорідній плазмі та їх використання для нагрівання і діагностики плазми та вилучення домішок

2. Проведено дослідження збудження азимутальним поверхневим струмом і розповсюдження поверхневих (по відношенню до плазми) хвиль в системі, що складається з однорідного плазмового циліндру, вакуумного прошарку та металевої камери, занурених в зовнішнє однорідне аксіальне магнітне поле. Таке поставлення задачі відрізняється від поставлень, що застосовувались раніше при дослідженні азимутальних поверхневих хвиль, принциповими моментами: не зроблено припущення про те, що паралельний до магнітного поля показник заломлення дорівнює нулю (); просторова структура коливань визначається системою двох зв'язаних (а не незалежних, як розглядалось раніше) диференційних рівнянь другого порядку; вивчаються не тільки вільні, але і вимушені коливання.

Виявлено, що для значної області параметрів резонанс азимутальної поверхневої хвилі сусідить по частоті з резонансом “поперечно-магнітної” поверхневої хвилі, яку раніше ігнорували. Наслідком цієї близькості є зв'язок резонансів і перекачування енергії від однієї хвилі до іншої на протязі декількох періодів коливань. Якщо вимірювати час перекачування, то можна визначити середню густину плазмового шнура.

3. Досліджено розподіл високочастотних полів в обмеженому в аксіальному напрямку плазмовому циліндрі у випадку, коли вакуумна довжина хвилі значно перебільшує розміри системі. При цьому високочастотне поле збуджується з торця циліндру. Отримані вирази для розподілу полів застосовані для аналізу збудження та розповсюдження електромагнітних хвиль в плазмовому джерелі ПР-1. Виявлено механізм створення плазми високочастотними полями. Залежності амплітуд полів в плазмі від параметрів установки та антени, що отримані в дисертації, дозволяють оптимізувати систему введення високочастотної потужності. Зроблено висновок про те, що застосування зовнішнього магнітного поля дозволить реалізувати режими роботи установки с більшою густиною плазми.

4. Отримано вирази для розподілу високочастотних полів в області альфвенівського резонансу і величини потужності, що поглинається плазмою, у випадку, коли радіус плазмового шнура значно менше повздовжньої, по відношенню до магнітного поля, довжини хвилі. Результати теоретичного дослідження використані для аналізу даних експериментів по вивченню альфвенівських хвиль, що проводились на тороідальній установці ОМЕГА в безструмовому режимі.

5. В припущенні, що перенесення домішок на периферії плазмового шнура відбувається в режимі Пфірша-Шлютера, отримано вираз для радіального потоку важких домішок в токамаках і стелараторах з урахуванням термосили, що діє на іони домішок з боку основних іонів. Отриманий в роботі вираз свідчить, що радіальний поток домішок може бути спрямований назовні під впливом асиметричного нагрівання іонів основної плазми або іонів домішок. Доведено, що спроба впливати на потоки домішок шляхом асиметричного нагрівання основних іонів потребує неймовірно великих значень питомої потужності, що поглинається. Але поток важких домішок може бути спрямований назовні при вельми невеликих питомих потужностях нагрівання у випадках, коли нагріваються безпосередньо іони домішок. Розглянуто конкретні можливості створення асиметричного джерела енергії за допомогою високочастотного нагрівання іонів домішок.

6. Базуючись на числових розрахунках побудовано якісну теорію розповсюдження і поглинання повільної моди нижньогібридних хвиль в двозахідних торсатронах. Доведено, що в торсатронах, на відміну від токамаків, тороідальна неоднорідність слабо впливає на розповсюдження нижньогібридних хвиль. Досліджено залежності розповсюдження і поглинання хвиль від густини і температури плазми, місця розташування, частоти і спектра початкових значень антени. Виявлено, що параметри антени можуть бути оптимізовані з метою досягнення максимального збільшення температури плазми. При відповідному виборі спектра антени з , область поглинання може бути локалізована біля вибраної магнітної поверхні. Таким чином можливо компенсувати струми рівноваги і, отже, зсув плазмового шнура, що обумовлений скінченим тиском плазми, або можливо керувати профілем обертального перетворення в двозахідних торсатронах.

7. В дисертації узагальнено теорію стохастичного нагрівання іонів нижньогібридними хвилями на випадок нагрівання в стелараторах. Це дозволило обрахувати траєкторії високоенергетичних іонів, що рухаються в складному магнітному полі стеларатора та взаємодіють з нижньогібридною хвилею. Розрахунки свідчать, що під впливом нижньогібридного нагрівання високоенергетичні іони, що знаходяться в областях так званого “абсолютного утримання”, мають можливість залишити об'єм плазми. Час, необхідний для виходу високоенергетичного іона із плазми, виявляється меншим за час обміну енергією з іонами чи електронами основної плазми. Одночасно, нижньогібридне нагрівання не впливає на утримання альфа-часток з більшою енергією. Таким чином, нижньогібридне нагрівання може бути використане як засіб для вилучення гелієвої золи із стеларатора - реактора.

8. З метою визначення можливостей і перспектив застосування рефлектометрії для діагностики термоядерної плазми відтворена повна картина розповсюдження електромагнітних полів при надвисокочастотній діагностиці плазми в токамаці некруглого перерізу. Проведено аналіз розповсюдження звичайної та незвичайної хвиль у випадках зондування з зовнішнього боку тора в екваторіальній площині тора і зондування з зсувом антен в полоідальному напрямку, приймаючи до уваги електромагнітні поля, що випромінюються реальною антеною. Цей аналіз свідчить, що, незважаючи на те, що відбитий від внутрішнього шару плазми сигнал сильно загасає завдяки великій відстані від антени до шару, що відбиває, та завдяки розбіжності зондуючого пучка, послаблення сигналу не є критичним для сучасного рівня вимірювальної апаратури.

9. Запропоновані і фізично та математично обгрунтовані нові методи діагностики плазми надвисокочастотними хвилями для використання на великих токамаках. А саме:

- метод оперативного контролю густини плазми, що використовує незвичайну хвилю з частотою поблизу частоти відбиття від внутрішньої межі плазмового шнура. Застосування цього метода одночасно з традиційною однохордовою інтерферометрією, що використовує звичайну хвилю, дає можливість вимірювати не тільки середню густину плазми, але й отримати інформацію про розподіл густини плазми за радіусом;

- метод вимірювання розподілу полоідального магнітного поля в плазмі по рефракції звичайної хвилі. Зондуючий промінь надсилається до плазми в площині малого перерізу тора під певним кутом до екваторіальної площини тора. Діапазон частот, що придатні для вимірювань, одного порядку з плазмовою частотою електронів. Доведено, що по отриманим залежностям позиції виходу променю з плазми від частоти або кута занурювання можна відновити розподіл полоідального поля в плазмі;

- ефективний метод відновлення профілів густини плазми довільного виду та визначення Шафранівського зсуву шляхом виміру набігання фаз звичайної та незвичайної хвиль, що інжектовано в екваторіальній площині тора перпендикулярно до магнітних поверхонь. Цей метод придатний до використання в токамаках, де частота верхньої відсічки незвичайної хвилі має неспадну залежність від великого радіуса при пересуванні в екваторіальній площині тора з зовнішнього боку плазмового шнура на внутрішній бік. Цей метод є особливо актуальним для установок, які мають обмежений доступ до плазми, завдяки чому використання мікроволнової інтерферометрії неможливе.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Греков Д.Л. О влиянии формы плазменного цилиндра на собственные частоты быстрых магнитозвуковых волн // Радиофизика и радиоастрономия.-1998.-Т. 3, № 3.-С. 331-332.

2. Grekov D.L., Lapshin V.I., Yakovlev M.M. Surface Waves on the Boundary Plasma-Metal in the Elliptic Plasma Cylinder // Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика плазмы.-Харьков, 1999.-Вып. 3 (3), 4(4).-С. 171-172.

3. Греков Д.Л., Лапшин В.И., Яковлев М.М. Быстрые магнитозвуковые и быстрые альфвеновские волны в эллиптическом плазменном цилиндре // Письма в ЖТФ.-1999.-Т. 25.-Вып. 18.-С. 33 - 37.

4. Grekov D.L., Lapshin V.I. Features of coaxial waves in magnetized plasma cylinder // Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика плазмы.-Харьков, 2000.-Вып. 5.-№ 3.-С. 42-44.

5. Греков Д.Л. Особенности возбуждения и распространения поверхностных волн в плазменном цилиндре в магнитном поле // Радиофизика и радиоастрономия.-2002.-Т. 7, № 2.-С. 186-193.

6. Греков Д.Л., Азаренков Н.А., Бизюков А.А., Гапон А.В., Целуйко А.Ф., Чунадра А.Г. Плазменный источник на поверхностных волнах // Прикладная физика.-2002.-№ 5.-С. 36 -42.

7. Греков Д.Л., Азаренков Н.А., Бизюков А.А., Олефир В.П. Расчеты распределения электромагнитных полей в установке ПР-1 (плазменный реактор) // Радиофизика и радиоастрономия.-2002.-Т. 7, № 3.-С. 321-325.

8. Греков Д.Л., Азаренков Н.А., Бизюков А.А., Олефир В.П. Оптимизированная антенна для создания плазмы в установке ПР-1 // Радиофизика и электроника.-2002.-Т. 7, № 3.-С. 518-521.

9. Греков Д.Л., Азаренков Н.А., Бизюков А.А., Олефир В.П. Особенности распределения электромагнитных полей в замагниченной плазме установки ПР-1 // Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез, Москва.-2002.-Вып. 3-4.-С. 186-191.

10. Dikiy I.A., Grekov D.L., Kalinichenko S.S., Lysojvan A.I., Nazarov N.I., Ranjuk T.Yu., Shvets O.M., Stepanov K.N., Tolok V.T Absorption of Alfven Waves and Plasma Production in the Omega and Uragan-3 Toroidal Devices // Nuclear Fusion.-1986.-V. 26, N. 1.-P. 23-41.

11. Греков Д.Л., Касилов С.В. Обращение потока примесей в плазме токамака при помощи альфвеновского нагрева//Физика плазмы.-2002.-Т. 28, № 10.-С.867-871.

Grekov D.L., Kasilov S.V. RF way of impurity fluxes control in tokamaks // Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика плазмы, вып. 6.- Харьков, 2000.-№ 6.-C.76-78.

12. Греков Д.Л. Обращение потока примесей в двухзаходных торсатронах при помощи ВЧ нагрева плазмы // Вестник Харьковского госуниверситета, сер.физическая: ядра, частицы, поля.-1998.-№ 421.-С. 73-75.

13. Греков Д.Л. Об одной возможности влияния на поступление примесей в плазму стелларатора, имеющего полоидальные разрезы вакуумной камеры // Физика плазмы.-2001.-Т. 27, № 12.-С. 1070-1075.

14. Греков Д.Л., Дьяков В.Е., Степанов К.Н. Исследование распространения и поглощения нижнегибридных волн в токамаках методом лучевых траекорий // Физика плазмы.-1984.-Т. 10, № 6.-С. 1140-1147.

15. Grekov D.L., Dyakov V.Ye., Goldfinger R., Batchelor D. Ray Tracing Studies of Lower Hybrid Plasma Heating in l=2 Torsatrons // Nuclear Fusion.-1990.-V. 30, N. 10.-P. 2039-2045.

16. Grekov D.L., Smirnova M.S. Effect of the lower hybrid heating on the confinement of high energy ions in stellarators // Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика плазмы (8).-Харьков, 2002.-№ 5.-C. 21-23.

17. Греков Д.Л. Высокочастотный метод удаления гелиевой золы из стелларатора-реактора // Вестник ХНУ, сер.Ядра, частицы, поля.-2002.-Т. 569.-Вып. 3 (19).-С. 33-37.

18. Греков Д.Л. Исследование распространения СВЧ волновых пучков в неоднородной плазме в магнитном поле // Письма в ЖТФ.-1999.-Т. 25.-Вып. 23.-С. 67 - 71.

19. Grekov D.L. Microwave reflectometry in fusion devices // Радиофизика и радиоастрономия.-2000.-Т. 5, № 1.-С. 84-94.

20. Греков Д.Л., Павличенко О.С. Метод измерения распределения полоидального поля в токамаках по рефракции обыкновенной волны // Письма в ЖТФ.-1990.-Т. 16.-Вып. 22.-С. 34-37.

21. Бомко А.В., Греков Д.Л., Павличенко О.С. Перспективы применения двухполяризационной рефлектометрии для измерения произвольных профилей плотности плазмы // Письма в ЖТФ.-1992.-Т. 18.-Вып. 19.-С. 6-10.

22. Греков Д.Л., Дикий И.А., Калиниченко С.С., Лысойван А.И., Назаров Н.И., Степанов К.Н., Швец О.М. Исследование структуры локального альфвеновского резонанса и поглощения альфвеновских волн в тороидальной плазме: Препринт ХФТИ 85-14.-М: ЦНИИатоминформ, 1985.-28 c.

23. Греков Д.Л., Дьяков В.Е., Бэтчелор Д., Голдфингер Р. Исследование нижнегибридного нагрева плазмы в двухзаходных торсатронах методом лучевых траекторий: Препринт ХФТИ №3-88.-М.: ЦНИИатоминформ, 1988.

24. Grekov D.L., Pavlichenko O.S. Ordinary wave refracrion: A new way to measure the poloidal field distribution in tokamaks: Preprint KFTI 90-45.-M.: Atominform, 1990.-9 p.

25. Grekov D.L., D'yakov V.E. Features of lower hybrid heating in stellarators // Proc. 12th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. (Budapest,1985) / ed. L. Poch, A. Montvai.-European Physical Society, 1985.-V. 9F.-Part 1.-P. 473-476.

26. Grekov D.L., Lapshin V.I., Yakovlev M.M. Fast Magnetosonic and Fast Alfven Waves in Magnetized Elliptic Plasmas // Proc. 1998 Intern. Cong. on Plasma Phys. and 25th EPS Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics (Praha, 1998) / ed. P.Pavlo.- European Physical Society, 1998.-V. 22C.-P.1300-1303.

27. Grekov D.L., Lapshin V.I., Yakovlev M.M. Features of Surface Electromagnetic Waves in Magnetized Plasma Cylinder // Proc. 26th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. (Maastricht, 1999) / ed. B. Schweer, G. Van Oost, E. Vietzke.-European Physical Society, 1999.-V. 23J.-P.917-920.

28. Азаренков Н.А., Бизюков А.А., Греков Д.Л., Олефир В.П. Распределение электромагнитных полей в установке ПР-1 // Тезисы докл. 29 Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2002) / Изд.: Научный совет Академии наук по физике плазмы.-Москва, 2002.-С. 223.

29. Grekov D.L., Shishkin A.A., Zolotuhin A.V Impurity flux reversal in the l=2 torsatrons using RF heating // Proc. 17th Eur. Conf. on Contr. Fusion and Plasma Heating (Amsterdam, 1990).-European Physical Society, 1990.-V.14B.-Part II.-P. 529-532.

30. Греков Д.Л., Касилов С.В. О возможности обращения потока тяжелых примесей в токамаке при помощи альфвеновского нагрева плазмы // Тезисы докл. 29 Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2002) / Изд.: Научный совет Академии наук по физике плазмы.-Москва, 2002.-С. 90.

31. Grekov D.L. Propagation of the microwave beams in magnetized inhomogeneous plasma // Proc. 23rd EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys. (Kiev, 1996) / ed. D. Gresillon, A. Sitenko, A. Zagorodny.-European Physical Society, 1996.-V. 20C.-Part III.-P. 1108-1111.

32. Grekov D.L., Pavlichenko O.S. Ordinary wave refracrion: A new way to measure the poloidal field distribution in tokamaks // Proc. IAEA Tech. Com. Meeting “Time resolved two- and three-dimensional plasma diagnostics”.-Vienna: IAEA, 1991.-P. 449-454.

33. Bomko A.V., Grekov D.L., Pavlichenko O.S. Arbitrary density profile and Shafranov shift reconstruction in large tokamaks via dual-polarisation reflectometry and magnetic diagnostics // Proc. IAEA Tech. Com. Meeting “Microwave reflectometry for Fusion Plasma Diagnostics”.-Vienna: IAEA, 1992.

Размещено на Allbest.ru