Название:Аномальное поглощение и отражение при электронном циклотронном нагреве высокотемпературной плазмы в тороидальных магнитных ловушках
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний: 02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС
Ключевые слова:токамак, стелларатор, электронный циклотронный нагрев плазмы, параметрическая распадная неустойчивость, верхнегибридные волны, нижнегибридные, ионные и электронные бернштейновские волны
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Гусаков,ЕЗ
Подразделения:
Код проекта:16-12-10043; 19-12-13009
Аннотация: Электронный циклотронный (ЭЦ) нагрев плазмы хорошо зарекомендовал себя в экспериментах на стеллараторах и токамаках. С его помощью возможно не только осуществление нагрева электронной компоненты плазмы, но и возбуждение токов увлечения. Для него созданы эффективные генераторы гиротроны, которые позволяют формировать пучки ЭЦ волн с мощностью от 100 kW до 1MW. В токамаке-реакторе ITER планируется использование ЭЦ нагрева, как для общего нагрева плазмы, так и для локального нагрева и генерации тока с целью подавления неоклассической тиринг-моды. Согласно широко распространённым представлениям, распространение ЭЦ волн и их поглощение в плазме хорошо описываются в рамках линейной теории и являются детально предсказуемыми. Теоретический анализ таких нелинейных явлений как параметрические распадные неустойчивости ЭЦ волн, выполненный в конце 80-х годов в предположении монотонных профилей плотности плазмы, предсказывает крайне высокий порог их возникновения существенно, на несколько порядков, превышающий мощность гиротронов. Вместе с тем в последнее время накопилась значительное количество наблюдений явлений, не укладывающихся в простую линейную картину. К ним относится, во-первых, эффект аномального отражения греющего излучения, сопровождающегося сдвигом частоты [E. Westerhof et al. PRL 103, 125001 (2009)], обнаруженный в 2008 году на токамаке TEXTOR, а затем на токамаке ASDEX-Upgrade и стеллараторе LHD; во-вторых, ускорение и нагрев ионов и формирование хвоста на ионной функции распределения, наблюдавшиеся различными диагностическими методами при ЭЦ нагреве необыкновенной волной на второй гармонике резонанса на установках TCV и TJ-II; в-третьих, эффектом, не вписывающимся в общепринятую картину, является дефицит вкладываемой мощности и нелокальный перенос энергии, наблюдаемые в некоторых экспериментах по ЭЦ нагреву. Естественное предположение, что причиной этих аномальных эффектов является проявление нелинейности плазмы, в частности, развитие низкопороговых параметрических распадных неустойчивостей, которые могут приводить к аномальному отражению и поглощению подводимой к плазме СВЧ мощности, делает весьма актуальными исследования по проблеме, сформулированной в проекте, поскольку ставят под вопрос высокую эффективность методов ЭЦ нагрева плазмы в токамаке-реакторе ИТЭР, предсказанную линейной теорией. Попытки теоретического объяснения этих аномальных явлений были предприняты членами группы, представляющей настоящий проект. Было предложено несколько теоретических моделей [E.Z. Gusakov and A.Yu. Popov, PRL 105, 115003 (2010); E. Gusakov, A. Popov, EPL 99, 15001 (2012) и др.], демонстрирующих возможность низкопорогового возбуждения параметрических распадных неустойчивостей, ведущих к аномальному отражению и поглощению плазмой СВЧ мощности. Был выполнен анализ линейной стадии этих неустойчивостей, показана возможность возбуждения абсолютных неустойчивостей и определён их порог и инкремент. Краеугольным элементом этих моделей является учет реально наблюдаемой в экспериментах по ЭЦ нагреву немонотонности профиля плотности плазмы, приводящей к локализации параметрически возбуждаемых дочерних волн. Следует отметить, что развитие теории за последнее пятилетие, хотя и продемонстрировало принципиальную возможность низкопорогового развития распадных параметрических неустойчивостей в условиях экспериментов по ЭЦ нагреву необыкновенной волной на второй гармонике резонанса в тороидальных ловушках, не смогло даже качественно описать основные черты и детали наблюдавшихся аномальных эффектов. Предсказанные быстрые неустойчивости оказались конвективными, в то время как абсолютные, экспоненциально нарастающие во времени неустойчивости, развивались слишком медленно, за времена, сравнимые с характерными временами МГД и дрейфовых процессов. Кризис, наметившийся в развитии теории, как кажется, был преодолён в публикациях текущего года [A.Yu. Popov, E.Z. Gusakov, Plasma Phys. Control. Fusion 57, 025022 (2015)], где была указано на возможность генерации, как рассеянной назад необыкновенной волны, так и ускорения ионов, в результате вторичных нелинейных процессов, которые сопровождают первичный низкопороговый параметрический распад волны накачки, имеющий другую природу и ведущий к возбуждению верхне-гибридных (ВГ) волн запертых в плазме. В качестве путеводной нити, обеспечивающей снижение порога распадной неустойчивости и возможность возбуждения абсолютных неустойчивостей, в настоящем проекте мы рассматриваем условие запертости хотя бы одной из дочерних ВГ волн в реальных экспериментальных условиях, характеризуемых немонотонностью профилей плотности плазмы, тороидальной неоднородностью магнитного поля и небольшой шириной пучков волны накачки. Перечисленные экспериментальные обстоятельства мы впервые предполагаем последовательно учитывать и при анализе нелинейных режимов неустойчивостей, обеспечивающих их насыщение. Актуальными целями настоящего проекта являются: - создание теоретических моделей адекватных экспериментальным условиям и учитывающим как реальную неоднородность плазмы, так и узость пучка волны накачки; анализ линейной и нелинейной стадии низкопороговых параметрических распадных неустойчивостей, ведущих к возбуждению локализованных ВГ волн; - количественное объяснение парадоксальных экспериментальных результатов, находящихся в противоречии с предсказаниями стандартной теории; - проверка разработанных теоретических положений в специально поставленных модельных экспериментах; - выяснение роли, которую играют или могут играть низкопороговые параметрические распадные неустойчивости в энергетическом балансе при ЭЦ нагреве плазмы в существующих и будущих тороидальных магнитных ловушках, в частности, в токамаке-реакторе ITER; - разработка предложений по подавлению и контролю низкопороговых параметрических неустойчивостей. К конкретным задачам проекта относятся: 1) теоретическое описание линейной и нелинейной стадии абсолютной параметрической неустойчивости распада необыкновенной волны накачки на два верхнегибридных (ВГ) плазмона, хотя бы один из которых заперт в окрестности локального максимума плотности плазмы и расчёт доли СВЧ мощности, аномально поглощаемой в этом процессе; 2) количественная интерпретация с помощью построенных моделей эффекта аномального рассеяния назад греющего СВЧ излучения в экспериментах по ЭЦ нагреву плазмы на второй гармонике резонанса в токамаках TEXTOR (Германия) и ASDEX-Upgrade (Германия); 3) объяснение с помощью созданных моделей эффекта ускорения ионов в экспериментах по ЭЦ нагерву плазмы на второй гармонике резонанса в токамаке TCV (Швейцария) и стеллараторе TJ-II (Испания); 4) выяснение условий возбуждения неустойчивости двухплазмонного распада в экспериментах по ЭЦ нагреву плазмы на отечественных установках Т-10, Л-2М и строящемся токамаке Т-15; 5) исследование линейной и нелинейной стадии абсолютной неустойчивости параметрического возбуждения локализованной в плазме верхнегибридной волны в условиях ЭЦ нагрева плазмы обыкновенной волной на первой гармонике резонанса и расчёт доли СВЧ мощности, аномально поглощаемой в этом процессе в условиях токамака FTU (Италия) и ИТЭР; 6) экспериментальное исследование параметрического возбуждения под действием ЭЦ накачки запертых в плазме ВГ колебаний в модельных экспериментах. Ожидаемые результаты: В результате выполнения проекта можно ожидать получения следующих научных результатов: 1) Будут исследованы линейная и нелинейная стадия низкопороговой абсолютной параметрической распадной неустойчивости узкого пучка электронной циклотронной (ЭЦ) волны необыкновенной поляризации, сопровождающейся генерацией верхнегибридных (ВГ) плазмонов, хотя бы один из которых локализован в плазме. Возникающий на нелинейной стадии каскад распадов будет впервые рассмотрен с учётом неоднородности плазмы, ограниченности пучка волны накачки и сложной дисперсии взаимодействующих волн. Впервые будет определена доля мощности волны накачки, аномально поглощаемая в электронном и ионном канале в результате развития неустойчивости. Впервые будет оценена мощность сигнала «рассеяния», который может генерироваться в результате взаимодействия дочерних верхнегибридных волн, что позволит в деталях описать частотные спектры аномально рассеянных волн, наблюдающиеся на токамаках TEXTOR и ASDEX-Upgrade. Будут сделаны оценки возможной роли процесса двухплазмонного распада в экспериментах на отечественных и зарубежных тороидальных установках. 2) Будет впервые исследована возможность низкопороговых абсолютных параметрических распадных неустойчивостей обыкновенной волны при нагреве на первой гармонике ЭЦ резонанса. При этом будут исследованы линейная и нелинейная стадия распадной неустойчивости, сопровождающейся генерацией ВГ волн, локализованных в плазме. 3) На линейной плазменной установке будет проведено экспериментальное моделирование параметрического возбуждения волной накачки конечной ширины запертых в неоднородной плазме ВГ волн. 4) На основе проведенного анализа будут выполнены оценки доли мощности обыкновенной волны накачки, которая может аномально поглощаться в экспериментах на токамаке FTU и в токамаке-реакторе ITER. Будут сформулированы рекомендации по снижению этой мощности, что будет иметь несомненное практическое значение. Можно ожидать, что планируемые научные результаты определят мировой уровень исследований аномальных процессов при ЭЦ нагреве плазмы в тороидальных магнитных ловушках.