Название:Аномальное поглощение и рассеяние мощности при СВЧ нагреве плазмы в магнитных ловушках
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе, 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС
Ключевые слова:токамак, стелларатор, электронный циклотронный и нижне-гибридный нагрев плазмы, параметрическая распадная неустойчивость, верхне-гибридные и нижне-гибридные волны, электронные и ионные бернштейновские волны
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Гусаков,ЕЗ
Подразделения:
Код проекта:22-12-00010

СВЧ нагрев плазмы хорошо зарекомендовал себя в экспериментах на стеллараторах и токамаках. С его помощью возможно не только осуществление нагрева электронной компоненты плазмы в условиях электронного циклотронного (ЭЦ) резонанса, но и эффективное возбуждение токов увлечения в промежуточном частотном диапазоне. Для него созданы эффективные генераторы гиротроны и клистроны, которые позволяют в непрерывном режиме формировать пучки 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 до недавнего времени представлениям, основанным на теоретическом анализе таких нелинейных явлений как параметрические распадные неустойчивости, распространение ЭЦ волн и их поглощение в плазме тороидальных магнитных ловушек хорошо описываются в рамках линейной теории и являются детально предсказуемыми. Тем не менее, в последние десять – пятнадцать лет накопилась значительное количество наблюдений явлений, не укладывающихся в простую линейную картину. К ним относятся, во-первых, эффект аномального рассеяния назад греющего излучения, сопровождающегося сдвигом частоты, обнаруженный впервые в 2008 году на токамаке TEXTOR [E. Westerhof et al. PRL 103, 125001 (2009)]; 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, эффектами, не вписывающимися в общепринятую картину, являются уширение профиля энерговыделения, дефицит вкладываемой мощности и нелокальный перенос энергии, наблюдаемые в некоторых экспериментах по ЭЦ нагреву, в частности на токамаке Т-10 и стеллараторе Л-2М. 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 и локальность методов ЭЦ нагрева плазмы в токамаке-реакторе ITER, предсказанную линейной теорией. Качественное объяснение перечисленные выше результаты наблюдений получили в работах авторов настоящей заявки. Было показано, что в реальных экспериментальных условиях возможно значительное снижение порогов возбуждения параметрических распадных неустойчивостей, связанное с запиранием плазменных волн в области немонотонности профиля плотности плазмы [E.Z. Gusakov and A.Yu. Popov, PRL 105, 115003 (2010) и др.]. В частности, было продемонстрировано, что особенно легко в результате абсолютной параметрической неустойчивости могут возбуждаться верхние гибридные (ВГ) волны, запертые в окрестности локального максимума плотности плазмы [A.Yu. Popov, E.Z. Gusakov, Plasma Phys. Control. Fusion 57, 025022 (2015)]. При этом насыщение неустойчивости достигается за счёт каскада последовательных распадов, ведущих к возбуждению верхних гибридных и ионных бернштейновских (ИБ) волн [E. Z. Gusakov and A. Yu. Popov Physics of Plasmas 23, 082503 (2016)]. Развитие теории низкопороговых параметрических распадных неустойчивостей, которое было достигнуто при поддержке гранта РНФ 16-12-10043 и обзор которого приведен в работе [Гусаков Е.З., Попов А.Ю. УФН 190, 396-420 (2020)], стимулировало в самое последнее время активные экспериментальные исследования аномальных волновых процессов при СВЧ нагреве плазмы на токамаке ASDEX-Upgrade и стеллараторе W7-X [S.K. Hansen, S.K. Nielsen et al. Nuclear Fusion 60, 106008 (2020); S.K. Hansen, A.S. Jacobsen, M. Willensdorfer, et al., Plasma Phys. Control. Fusion 63, 095002 (2021), A. Tancetti, S.K. Nielsen, J. Rasmussen et al. 47th EPS Conference on Plasma Physics 21 - 25 June 2021, Sitges, Spain, Vol. 45A, P4.1048]. Полученные экспериментальные результаты сделали возможным детальную проверку развитых ранее теоретических моделей, что потребовало их дальнейшего совершенствования и учёта реальных обстоятельств экспериментов. Настоящий проект предполагается посвятить развитию теории низкопороговых параметрических неустойчивостей, сопоставлению её предсказаний с результатами экспериментов на токамаках ASDEX-Upgrade, Т-10 и стеллараторах W7-X, Л-2М, а также анализу возможности возбуждения нелинейных параметрических явлений при дополниительном нагреве на токамаке-реакторе ITER и на строящемся токамаке Т-15-МД.

Актуальными целями настоящего проекта являются:

  • создание теоретических моделей, адекватных экспериментальным условиям и учитывающих их влияние как на порог неустойчивости двухплазмонного параметрического распада, так и на уровень насыщения неустойчивости;
  • исследование возможности возбуждения низкопороговых параметрических распадных неустойчивостей в случае монотонного и крутого профиля плотности плазмы;
  • сопоставление предсказаний полу-аналитической теории, развиваемой в ходе работы над проектом, с результатами одномерного и двумерного PIC моделирования;
  • сопоставление предсказаний теории с данными наблюдений аномального излучения плазмы на токамаке ASDEX-Upgrade и на стеллараторе W7-X;
  • сопоставление теоретических и экспериментальных оценок эффективности аномального поглощения СВЧ накачки на стеллараторах W7-X, Л-2М и токамаках Т-10 и ASDEX-Upgrade;
  • 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 Т-15-МД и токамаке-реакторе ITER;
  • исследование возможности возбуждения низкопороговых абсолютных параметрических распадных неустойчивостей под действием СВЧ волны накачки промежуточного частотного диапазона;
  • разработка предложений по подавлению и контролю низкопороговых параметрических неустойчивостей.

К конкретным задачам проекта относятся:

  1. Исследование влияния полоидальной неоднородности плазмы и магнитного поля на порог параметрического возбуждения запертых верхних гибридных (ВГ) волн и на уровень аномального поглощения.
  2. Исследование влияния радиационных потерь вторичных ВГ волн из области локализации на уровень насыщения неустойчивости.
  3. Исследование влияние угла падения волны накачки обыкновенной и необыкновенной поляризации по отношению к удерживающему магнитному полю на уровень насыщения параметрической распадной неустойчивости, связанной с возбуждением запертых ВГ волн.
  4. Сопоставление предсказаний аналитической теории низкопорогового двухплазмонного распада об уровне и механизмах насыщения неустойчивости с результатами PIC моделирования.
  5. Исследование влияния фазовой модуляции пучка СВЧ накачки периферийной турбулентностью на пороги и инкременты параметрического возбуждения запертых ВГ волн, а также на уровень насыщения неустойчивости и аномального поглощения.
  6. Анализ причин аномального рассеяния в стеллараторе W7-X. Расчёт порогов, спектров рассеяния и эффективности аномального поглощения.
  7. Анализ аномального рассеяния на токамаке TEXTOR с учётом возможности запирания ионных Бернштейновских волн генерируемых во вторичных распадах. Расчёт порогов, спектров рассеяния и эффективности аномального поглощения.
  8. Интерпретация наблюдений аномального поглощения СВЧ мощности и аномального рассеяния в экспериментах по ЭЦРН на стеллараторе Л-2М.
  9. Интерпретация наблюдений аномального поглощения СВЧ мощности в экспериментах по ЭЦРН на токамаке Т-10.
  10. Интерпретация результатов наблюдений аномального рассеяния, связанного с немонотонностью профиля плотности плазмы на токамаке ASDEX-Upgrade.
  11. Интерпретация результатов измерений излучения плазмы в области суб-гармоник частоты гиротрона (1/2 и 3/2 гармоники) в экспериментах по СВЧ нагреву на второй гармонике ЭЦР на токамаке ASDEX-Upgrade.
  12. Изучение влияния ограниченности пучка волн накачки поперёк направления неоднородности плазмы на развитие абсолютной неустойчивости плазмы в присутствии монотонного профиля плотности плазмы и при наличии двух точек распада.
  13. Расчёт угловых и частотных характеристик абсолютной неустойчивости индуцированного рассеяния обыкновенной волны накачки на запертых в транспортном барьере нижних гибридных (НГ) волнах в условиях токамака-реактора ITER и токамака ASDEX-Upgrade. Исследование механизмов насыщения этой неустойчивости, связанных с нелинейностями НГ волны.
  14. Расчёт порога и инкремента абсолютной неустойчивости индуцированного рассеяния СВЧ волны накачки промежуточного частотного диапазона (медленных волн и геликонов) на запертых в транспортном барьере НГ волнах.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения проекта можно ожидать получения следующих научных результатов:
  1. Будет впервые выяснено насколько полоидальная неоднородность плазмы и магнитного поля повышает порог параметрического возбуждения запертых ВГ волн, и как она влияет на уровень аномального поглощения СВЧ волны накачки.
  2. Будет получено выражение для интенсивности радиационных потерь вторичных ВГ волн из области локализации. Можно надеяться, что при её учёте удастся впервые сблизить теоретические предсказания для эффективности аномального поглощения в случае чётного и нечётного числа вторичных ВГ плазмонов.
  3. Будет впервые изучено влияние угла падения волны накачки обыкновенной и необыкновенной поляризации по отношению к удерживающему магнитному полю на уровень насыщения параметрической распадной неустойчивости, связанной с возбуждением запертых ВГ волн.
  4. Будут впервые сопоставлены предсказания аналитической теории низкопорогового двухплазмонного распада о уровне и механизмах насыщения неустойчивости с результатами PIC моделирования.
  5. Будет впервые исследовано влияния фазовой модуляции пучка СВЧ накачки периферийной турбулентностью на пороги параметрического возбуждения запертых ВГ волн и уровень аномального поглощения.
  6. Будет впервые выполнен анализ причин аномального рассеяния в стеллараторе W7-X. Будет проведен расчёт порогов, спектров рассеяния и эффективности аномального поглощения.
  7. Будет впервые проведен анализ аномального рассеяния на токамаке TEXTOR с учётом возможности запирания ионных Бернштейновских волн, генерируемых во вторичных распадах. Будет выполнен расчёт порогов, спектров рассеяния и эффективности аномального поглощения.
  8. Будет впервые предложена интерпретация наблюдений аномального поглощения СВЧ мощности и аномального рассеяния в экспериментах по ЭЦРН на стеллараторе Л-2М.
  9. Будет предложено объяснение наблюдений аномального поглощения СВЧ мощности в экспериментах по ЭЦРН на второй гармонике необыкновенной волной на токамаке Т-10.
  10. Будет предложено теоретическое объяснение результатов наблюдений аномального рассеяния в экспериментах по ЭЦРН необыкновенной волной на второй гармонике ЭЦ резонанса, связанного с немонотонностью профиля плотности плазмы на токамаке ASDEX-Upgrade.
  11. Будет выполнена интерпретация результатов измерений аномального излучения плазмы в области суб-гармоник частоты гиротрона (1/2 и 3/2 гармоники) в экспериментах по СВЧ нагреву на второй гармонике ЭЦР на токамаке ASDEX-Upgrade. Будет впервые выполнена независимая оценка уровня возбуждения ВГ волн и эффективности аномального поглощения.
  12. Будет впервые изучено влияние ограниченности пучка волны накачки поперёк неоднородности плазмы на развитие абсолютной неустойчивости при наличии монотонного профиля плазмы и двух точек распада.
  13. Будет выполнен расчёт угловых и частотных характеристик абсолютной неустойчивости индуцированного рассеяния обыкновенной волны накачки на запертых в транспортном барьере НГ волнах в условиях токамака-реактора ITER и токамака ASDEX-Upgrade. Будут исследованы механизмы насыщения этой неустойчивости, связанные с нелинейностями НГ волны.
  14. Будет впервые выполнен расчёт порога и инкремента абсолютной неустойчивости индуцированного рассеяния СВЧ волны накачки промежуточного частотного диапазона (медленных волн и геликонов) на запертых в транспортном барьере НГ волнах.
Можно ожидать, что планируемые научные результаты определят мировой уровень исследований аномальных процессов при СВЧ нагреве плазмы в тороидальных магнитных ловушках.