Нагрев и диагностика термоядерной плазмы волнами миллиметрового диапазона

Более тридцати лет ИПФ проводит исследования по микроволновому нагреву и диагностике плазмы в термоядерных установках. Уже для первых крупномасштабных экспериментов по электронно-циклотронному (ЭЦ) нагреву плазмы в токамаках была предложена очень удобная и простая схема нагрева с использованием обыкновенной волны, вводимой с наружной части тора (А. Г. Литвак, Е. В. Суворов, А. А. Фрайман), а для расчета профилей энерговклада при ЭЦ-нагреве внедрен в практику совершенно естественный геометрооптический метод расчета с помощью лучевых траекторий. Предложенная схема нагрева до сих пор является одной из основных для крупных современных тороидальных установок, а модификации и дальнейшее развитие геометрооптических методов для расчетов профилей энерговклада и генерации безындукционного тока стали основой для создания многочисленных (часто именных) кодов, результаты которых подвергаются взаимной проверке и используются при планировании и интерпретации любого крупномасштабного эксперимента.
В последнее время наиболее актуальное направление в данной области — ЭЦ-нагрев и диагностика плотной закритической плазмы, для которой возникает проблема доставки «греющего» излучения в центральные части плазменного шнура. Интерес к данной проблеме связан с достижением режимов с улучшенным удержанием на крупных токамаках и с развитием альтернативных систем типа сферических токамаков и оптимизированных стеллараторов, а также с успехами в развитии систем ЭЦ-нагрева плазмы на базе мощных гиротронов миллиметрового диапазона. Для разработки и оптимизации таких схем нагрева в ИПФ РАН развиваются новые фундаментальные электродинамические подходы, в результате которых:
• построена аналитическая теория линейной трансформации обыкновенной и необыкновенной волн ЭЦ-диапазона в трехмерно-неоднородной плазме токамаков и стеллараторов, учитывающая эффекты кручения магнитного поля и кривизну магнитных поверхностей;
• решен важный для приложений вопрос о пересчете волновых полей, разделенных зоной линейного взаимодействия, что позволяет в тороидальной геометрии восстанавливать амплитудно-фазовые распределения полей в прошедшем и отраженном квазиоптических пучках по распределению поля в падающем пучке;
• развита методика аналитического и численного решения задач распространения связанных электромагнитных волн в анизотропных и гиротропных средах с пространственной дисперсией, основанная на формализме операторного уравнения Риккати.

Пример теоретически найденной зависимости эффективности линейной трансформации гауссова пучка от его ширины при прохождении поверхности критической плотности плазмы в трехмерно неоднородной плазме токамака (пунктир — результат одномерной теории)

Теоретические наработки успешно применяются для исследования новых возможностей СВЧ-нагрева и диагностики закритической плазмы в токамаках и стеллараторах с использованием линейной трансформации электромагнитных волн ЭЦ-диапазона на установках T-10, FTU, TEXTOR, ASDEX-U, WEGA и др. (А. Г. Шалашов, Е. Д. Господчиков).

Сегодня системы ЭЦ-нагрева на современных токамаках широко используются для оптимизации профиля плазмы и стабилизации МГД-неустойчивостей плазменного шнура. Для решения данных задач требуется тонкая «настройка» условий ввода излучения в плазму с целью получения минимально возможной области энерговклада в строго определенном месте, что накладывает жесткие требования на точность моделирования распространения волновых пучков в неоднородной магнитоактивной плазме. В ИПФ разработана оригинальная формулировка теории квазиоптических пучков, в рамках которой векторное волновое поле восстанавливается из решения скалярного квазиоптического уравнения (А. А. Балакин, А. И. Смирнов, Г. В. Пермитин). На ее основе создан универсальный численный код для расчета квазиоптических волновых пучков, учитывающий пространственную дисперсию, резонансное поглощение и аберрации теплой магнитоактивной плазмы. Впервые продемонстрирована важность учета этих эффектов для моделирования профилей энерговклада при ЭЦ-нагреве и генерации тока в установках масштаба ИТЭР при решении задач стабилизации плазменного шнура.

В ИПФ развиваются экспериментальные методы диагностики термоядерной плазмы, использующие рассеяние мощного излучения миллиметрового диапазона длин волн. Регистрация спектров коллективного рассеяния мощного миллиметрового излучения на флуктуациях плотности плазмы позволяет получать информацию о распределении ионов по скоростям с хорошим пространственным и временным разрешением. В пионерских работах по применению этого метода на крупномасштабном стеллараторе Wendelstein 7-AS (Германия) сотрудниками ИПФ впервые была продемонстрирована возможность надежного измерения температуры тепловых ионов (Е. В. Суворов, Л. В. Лубяко и др.). На этой же установке техника коллективного рассеяния была успешно применена для исследования микронеустойчивостей, возникающих в результате инжекции мощных нейтральных пучков в тороидальную плазму, и неявной диагностики распределений энергичных ионов (Е. В. Суворов, А. Г. Шалашов). Среди последних результатов — объяснение природы аномальных спектров коллективного рассеяния излучения гиротрона, регулярно регистрируемых на токамаке с сильным магнитным полем Frascati Tokamak Upgrade (FTU, Италия), связанных с модификацией спектра излучения гиротрона на крыльях линии генерации. Показана вероятность возникновения подобного эффекта в системе диагностики термоядерных альфа-частиц методом коллективного рассеяния в токамаке ИТЭР, предложены способы для устранения этого нежелательного эффекта (Л. В. Лубяко, Е. В. Суворов, А. Г. Шалашов совместно с сотрудниками Института физики плазмы г. Милана и Института альтернативных энергий г. Фраскати).

Приемная часть разработанной в ИПФ РАН системы регистрации спектров коллективного рассеяния 140 ГГц излучения на токамаке FTU (г. Фраскати, Италия)