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:
- Исследование влияния полоидальной неоднородности плазмы и магнитного поля на порог параметрического возбуждения запертых верхних гибридных (ВГ) волн и на уровень аномального поглощения.
- Исследование влияния радиационных потерь вторичных ВГ волн из области локализации на уровень насыщения неустойчивости.
- 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.
- Сопоставление предсказаний аналитической теории низкопорогового двухплазмонного распада об уровне и механизмах насыщения неустойчивости с результатами PIC моделирования.
- 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.
- Анализ причин аномального рассеяния в стеллараторе W7-X. Расчёт порогов, спектров рассеяния и эффективности аномального поглощения.
- 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.
- Интерпретация наблюдений аномального поглощения СВЧ мощности и аномального рассеяния в экспериментах по ЭЦРН на стеллараторе Л-2М.
- Интерпретация наблюдений аномального поглощения СВЧ мощности в экспериментах по ЭЦРН на токамаке Т-10.
- Интерпретация результатов наблюдений аномального рассеяния, связанного с немонотонностью профиля плотности плазмы на токамаке ASDEX-Upgrade.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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:- 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.
- 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.
- 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.
- Будут впервые сопоставлены предсказания аналитической теории низкопорогового двухплазмонного распада о уровне и механизмах насыщения неустойчивости с результатами PIC моделирования.
- Будет впервые исследовано влияния фазовой модуляции пучка СВЧ накачки периферийной турбулентностью на пороги параметрического возбуждения запертых ВГ волн и уровень аномального поглощения.
- Будет впервые выполнен анализ причин аномального рассеяния в стеллараторе W7-X. Будет проведен расчёт порогов, спектров рассеяния и эффективности аномального поглощения.
- 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.
- Будет впервые предложена интерпретация наблюдений аномального поглощения СВЧ мощности и аномального рассеяния в экспериментах по ЭЦРН на стеллараторе Л-2М.
- Будет предложено объяснение наблюдений аномального поглощения СВЧ мощности в экспериментах по ЭЦРН на второй гармонике необыкновенной волной на токамаке Т-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.
- 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.
- Будет впервые изучено влияние ограниченности пучка волны накачки поперёк неоднородности плазмы на развитие абсолютной неустойчивости при наличии монотонного профиля плазмы и двух точек распада.
- 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.
- 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.