Физика плазмы, 2020, T. 46, № 7, стр. 588-594
Исследование турбулентности в плазме токамака Глобус-М во время перехода в Н-режим без периферийных локализованных мод
А. Ю. Яшин a, *, В. В. Буланин a, А. В. Петров a, В. К. Гусев b, Г. С. Курскиев b, В. Б. Минаев b, М. И. Патров b, Ю. В. Петров b
a Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Санкт-Петербург, Россия
b Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Санкт-Петербург, Россия
* E-mail: alex_yashin@list.ru
Поступила в редакцию 28.10.2019
После доработки 19.12.2019
Принята к публикации 20.01.2020
Аннотация
Представлены результаты исследования турбулентности в режимах улучшенного удержания (H-режиме) с ELMs (периферийными локализованными модами) и без них. Исследование проведено с использованием метода допплеровского обратного рассеяния на токамаке Глобус-М. Два типа E-LMs наблюдались на токамаке Глобус-М при нагреве с помощью инжекции быстрых нейтральных атомов и, соответственно, обнаружены два различных перехода в режим без ELMs. Продемонстрировано, что переход из Н-режима с ELMs, сопровождаемыми малыми пилообразными колебаниями, в Н-режим без ELMs характеризуется падением амплитуды турбулентности на периферии, в то время как такой переход в случае ELMs, сопровождаемых большими пилообразными колебаниями, происходит без подавления периферийной турбулентности.
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее важных вопросов на пути к термоядерной электростанции на основе токамаков является получение режима улучшенного удержания плазмы (H-режима [1]) без больших импульсных тепловых нагрузок на стенку, известных как периферийные локализованные моды (ELMs [2]).
Свободный от ELMs режим наблюдался на всех крупных токамаках (JT-60 [3] и JET [4]) и обычно сопровождался накоплением примесей из-за уменьшения диффузии в области пьедестала.
Переход в улучшенный H-режим без ELMs с помощью осаждения лития был обнаружен на токамаке NSTX [5–7]. В этих экспериментах исчезновение ELMs сопровождалось увеличением запасенной энергии, увеличением температур электронов и ионов в пьедестале и их периферийного градиента.
“Спокойный” H-режим (QH-режим) был получен в DIII-D с использованием инжекции пучка нейтральных атомов в направлении, противоположном току плазмы, при снижении плотности [8]. В этих разрядах получен Н-режим без ELMs, который характеризовался отсутствием всплесков интенсивности излучения на линии Dα и импульсной тепловой нагрузки на дивертор. Благодаря наличию периферийных гармонических колебаний (EHO), перенос краевых частиц в этом режиме достаточно быстр, в связи с этим в разрядах была постоянная плотность и постоянный уровень излучаемой мощности, несмотря на отсутствие ELMs.
Обнаружено, что плазма в H-режиме ASDEX Upgrade с большим пристеночным зазором и при инжекции нейтральных атомов в направлении, противоположном току плазмы, дает длинные стационарные фазы, свободные от ELMs [9], которые практически во всех аспектах напоминают QH-режим, который наблюдался в DIII-D.
Основной целью данной работы является изучение поведения турбулентности11 и соответствующих плазменных потоков при переходе в H-режим, свободный от ELMs, на сферическом токамаке Глобус-М.
2. Н-РЕЖИМ С ELMs, СОПРОВОЖДАЕМЫМИ БОЛЬШИМИ ПИЛООБРАЗНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ, В ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М
Эксперименты проводились на компактном сферическом токамаке Глобус-М [10] (R ≈ 0.36 м, a ≈ 0.24 м, Btor = 0.4–0.5 Тл, Ip = 150–250 кА, вытянутость κ ≈ 1.8, треугольность δ ≤ 0.5, дейтериевая плазма). В качестве материала первой стенки использовался рекристаллизованный графит типа RGTi. Для обработки стенки использовалась боронизация. В экспериментах с дополнительным нагревом применялся пучок нейтральных атомов дейтерия мощностью 0.7 МВт и энергией 26–28 кэВ. Эволюцию интегральной вдоль линии наблюдения плотности электронов 〈ne〉 измеряли с помощью 0.8 мм микроволнового интерферометра (вертикальная хорда, R = 0.42 м). Для измерений SXR (мягкого рентгеновского излучения) использовался широкоугольный SPD (кремниевый прецизионный детектор) с вертикальной линией наблюдения. Радиально направленная линия наблюдения детектора излучения на линии Dα находилась в экваториальной плоскости.
Токамак работал в режиме улучшенного удержания (H-режим), инициированном инжекцией нейтрального пучка [11]. На рис. 1 представлена временная эволюция параметров типичного для Глобус-М H-режима с нейтральной ижекцией. Основные параметры этого разряда были следующими: Btor = 0.4 Тл, Ip = 190 кА, q95 = 6, 〈ne〉 = 4 × × 1019 м–3. Минимальная плотность для L-H перехода в режиме NBI в 1.5 раза выше, чем при только омическом нагреве, из-за прямого нагрева ионов. На токамаке Глобус-М устойчивый переход в Н-режим обычно происходит через несколько миллисекунд после начала инжекции пучка [12], если средняя плотность плазмы выше 1.5 ×1019 м–3 [13].
ELMs можно наблюдать как вспышки на сигнале Dα, сопровождаемые провалами плотности. Также можно видеть, что ELMs синхронизованы с пилообразными колебаниями SXR. Каждая вспышка ELM следует за срывом пилы с временной задержкой порядка десятков микросекунд [14]. Мы полагаем, что пилообразные колебания могут увеличивать периферийный градиент плотности плазменного тока или периферийный градиент электронного давления [15] и, таким образом, делать пилинг-баллонную моду нестабильной [16].
Такой режим является стационарным, когда ток плазмы слабо меняется во времени.
Если ток плазмы значительно уменьшается, амплитуда пилообразных колебаний резко падает. Это приводит к исчезновению ELMs. Излучение Dα и средняя плотность плазмы после такого перехода примерно постоянны.
3. Н-РЕЖИМ С ELMs, СОПРОВОЖДАЕМЫМИ МАЛЫМИ ПИЛООБРАЗНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ, В ТОКАМАКЕ ГЛОБУС-М
Другой тип ELMs был обнаружен в разрядах без или с небольшими пилообразными колебаниями (см. рис. 2). Основные параметры такого разряда были следующими: Btor = 0.5 Тл, Ip = 240 кА, q95 = 5, 〈ne〉 = 3 × 1019 м–3. Эти ELMs характеризуются большей частотой появления. В присутствии высокочастотных ELMs останавливается увеличение плотности плазмы. Исчезновение этих ELMs приводит к улучшению удержания частиц. Происходит падение сигнала Dα, синхронизованное с увеличением плотности плазмы.
Для того чтобы понять, почему переход в H‑режим без ELMs не влияет на улучшение удержания частиц для первого типа разряда, в то время как переход в H-режим без ELMs приводит к его улучшению для второго типа разряда, нам необходимо изучить поведение потока плазмы и турбулентность при переходе к свободным от ELMs режимам.
4. ДОППЛЕРОВСКОЕ ОБРАТНОЕ РАССЕЯНИЕ
Основным инструментом изучения потока и турбулентности в токамаке Глобус-М является допплеровское микроволновое обратное рассеяние [17–19]. Допплеровское обратное рассеяние (ДОР) основано на обратном рассеянии микроволнового излучения при наклонном падении на поверхность плазмы при наличии слоя отсечки для зондирующего пучка. Обратное рассеяние в основном локализовано вблизи слоя отсечки.
Диагностика позволяет измерять скорость V⊥ в направлении диамагнитного или E × B дрейфа плазмы. Рассеяние происходит на флуктуациях с волновыми числами k⊥ в узкой полосе, определяемой условием Брэгга.
Кроме того, спектральная мощность |n(k⊥, ω)|2 флуктуаций плотности плазмы для выбранной узкой полосы k⊥ может быть оценена путем измерения мощности обратного рассеяния. Недавно метод ДОР был применен в токамаке Глобус-М для исследования плазменных колебательных процессов (например, филаментов [20, 21], геодезических акустических мод [22, 23], колебаний предельного цикла [24] и альфвеновских неустойчивостей [25]).
Четырехчастотное зондирование позволяет нам изучать турбулентность на четырех радиусах одновременно (рис. 3). Для выбранных частот (20, 29, 39, 48 ГГц) доступная для исследований область находилась вблизи плазменного пьедестала внутри сепаратрисы, а типичные значения волновых векторов обратно рассеивающих флуктуаций плотности составляли 2, 4, 6, 8 см–1.
5. ТУРБУЛЕНТНОСТЬ И ПОТОКИ ПРИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ELMs
На рис. 4а показаны осциллограммы плотности плазмы, Dα и расчетной скорости флуктуаций плотности плазмы при трех радиусах. Скорости вращения до перехода в режим без ELMs, вычисленные в период между двумя низкочастотными ELMs, близки к нулю, а в режиме без ELMs скорость вращения в направлении диамагнитного дрейфа электронов увеличивается. Изменение скорости также можно увидеть в спектрах сигналов ДОР (рис. 4б). Положение максимума красного спектра, которое было рассчитано в период между двумя низкочастотными ELMs, близко к нулю, в то время как зеленый спектр, который соответствует свободному от ELMs режиму, сдвигается в область положительных частот. Интеграл этих спектров пропорционален амплитуде турбулентности. Абсолютные измерения амплитуды флуктуаций плотности не проводились, так как для этого требуются специальные калибровочные измерения всего тракта регистрации обратного рассеянного излучения.
Временное поведение амплитуды турбулентности для различных радиусов представлено на рис. 5. Уменьшение амплитуды турбулентности наблюдается только в случае самого глубокого радиуса (около 0.6 малого радиуса, k⊥ = 8 см–1). Амплитуда турбулентности при ρ = 0.7 и 0.8 (k⊥ = = 6 см–1 и k⊥ = 4 см–1, соответственно) не уменьшается после перехода в режим без ELMs.
6. ТУРБУЛЕНТНОСТЬ И ПОТОКИ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ELMs
В случае высокочастотных ELMs инверсия скорости отсутствует, как видно на рис. 6а. Более того, абсолютное значение скорости (5–10 км/с, рис. 6а) намного выше, чем в случае низкочастотных ELMs (см. рис. 4а). Спектр ДОР (рис. 6б), рассчитанный за время между двумя высокочастотными ELMs (красный), уширен по сравнению со спектром без ELMs (зеленый). Наблюдаемое уширение можно объяснить появлением большего шира скорости вращения плазмы. На рис. 6в показаны профили скорости вращения плазмы во всех обсуждаемых ранее режимах. Видно увеличение абсолютных значений скорости в случае разряда с высокочастотными ELMs.
Амплитуда турбулентности (рис. 7), рассчитанная для периферийной области (ρ = 0.7–0.9), уменьшилась после перехода в режим без ELMs. Это может привести к уменьшению периферийных коэффициентов переноса и улучшению качества периферийного транспортного барьера, что выражается в увеличении плотности и уменьшении излучения на линии Dα (см. рис. 2).
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ELMs с низкой частотой появления в токамаке Глобус-М характеризуются переходом в режим, свободный от ELMs, при уменьшении плазменного тока и вероятного изменения в профиле плотности тока. Такой переход связан с уменьшением пилообразных колебаний SXR. Уровень турбулентности на периферии меняется мало. Можно предположить, что перенос меняется мало, о чем свидетельствует постоянство уровня Dα и средней плотности.
Режим с высокой частотой появления ELMs характеризуется спонтанным переходом в свободный от ELMs режим. Амплитуда турбулентности уменьшается во время такого перехода. Наблюдались две характерные особенности подавления периферийного переноса: увеличение электронной плотности и уменьшение свечения на линии Dα.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 18-72-10028).
Список литературы
Wagner F., Becker G., Behringer K., Campbell D., Eberhagen A., Engelhardt W., Fussmann G., Gehre O., Gernhardt J., Gierke G.v., Haas G., Huang M., Karger F., Keilhacker M., Kluber Q., Kornherr M., Lackner K., Lisitano G., Lister G.G., Mayer H.M., Meisel D., Mil-ler E.R., Murmann H., Niedermeyer H., Poschenrie-der W., Rapp H., Bohr H., Schneider F., Siller G., Speth E., Stabler A., Steuer K.H., Venus G., Vollmer O., Yu Z. // Phys. Rev. Lett. 1982. V. 49. P. 1408. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.49.1408
Burrell K.H., Osborne T.H., Snyder P.B., West W.P., Fenstermacher M.E., Groebner R.J., Gohil P., Leo-nard A.W., Solomon W.M. // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. 155003. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.155003
Hatae T., Kamada Y., Ishida S., Fukuda T., Takizuka T., Shirai H., Koide Y., Kikuchi M., Yoshida H., Naito O. // Plasma Phys. Control. Fusion. 1998. V. 40. P. 1073. https://doi.org/10.1088/0741-3335/40/6/013
Breger P., Flewind C., Zastrow K.-D., Davies S.J., Hawkes N.C., König R.W.T., Pietrzyk Z.A., Porte L., Summers D.D.R., Hellermann M.G.v. // Plasma Phys. Control. Fusion. 1998. V. 40. P. 347. https://doi.org/10.1088/0741-3335/40/3/001
Maingi R., Sabbagh S.A., Bush C.E., Fredrickson E.D., Menard J.E., Stutman D., Tritz K., Bell M.G., Bell R.E., Boedo J.A., Gates D.A., Johnson D.W., Kaita R., Kaye S.M., Kugel H.W., LeBlanc B.P., Mueller D., Raman R., Roquemore A.L., Soukhanovskii V.A., Steven-son T. // J. Nucl. Mater. 2005. V. 337–339. P. 727. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.08.023
Mansfield D.K., Kugel H.W., Maingi R., Bell M.G., Bell R., Kaita R., Kallman J., Kaye S., LeBlanc B., Mu-eller D., Paul S., Raman R., Roquemore L., Sabbagh S., Schneider H., Skinner C.H., Soukhanovskii V., Timberlake J., Wilgen J., Zakharov L. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 390–391. P. 764. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2009.01.203
Maingi R., Osborne T.H., LeBlanc B.P., Bell R.E., Manickam J., Snyder P.B., Menard J.E., Mansfield D.K., Kugel H.W., Kaita R., Gerhardt S.P., Sabbagh S.A., Kelly F.A. (the NSTX research team) // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. 075001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.075001
Burrell K.H., Austin M.E., Brennan D.P., DeBoo J.C., Doyle E.J., Gohil P., Greenfield C.M., Groebner R.J., Lao L.L., Luce T.C., Makowski M.A., McKee G.R., Moyer R.A., Osborne T.H., Porkolab M., Rhodes T.L., Rost J.C., Schaffer M.J., Stallard B.W., Strait E.J., Wade M.R., Wang G., Watkins J.G., West W.P., Zeng L. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2002. V. 44. A253. https://doi.org/10.1088/0741-3335/44/5A/325
Suttrop W., Maraschek M., Conway G.D., Fahrbach H.U., Haas G., Horton L.D., Kurki-Suonio T., Lasnier C.J., Leonard A.W., Maggi C.F., Meister H., Mück A., Neu R., Nunes I., Pütterich Th., Reich M., Sips A.C.C. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2003. V. 45. P. 1399. https://doi.org/10.1088/0741-3335/45/8/302
Gusev V.K., Bakharev N.N., Ber B.Ya., Bulanin V.V., Chernyshev F.V., Dyachenko V.V., Goncharov P.R., Gusakov E.Z., Iblyaminova A.D., Irzak M.A., Kaveeva E.G., Khitrov S.A., Khromov N.A., Kornev V.A., Kurskiev G.S., Melnik A.D., Minaev V.B., Mineev A.B., Mironov M.I., Novokhatsky A.N., Patrov M.I., Petrov A.V., Petrov Yu.V., Rozhansky V.A., Sakharov N.V., Saveliev A.N., Senichenkov I.Yu., Shchegolev P.B., Shcherbinin O.N., Tolstyakov S.Yu., Varfolomeev V.I., Voronin A.V., Yashin A.Yu. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2016. V. 58. 014032. https://doi.org/10.1088/0741-3335/58/1/014032
Gusev V.K., Aminov R.M., Berezutskiy A.A., Bulanin V.V., Chernyshev F.V., Chugunov I.N., Dech A.V., Dyachen-ko V.V., Ivanov A.E., Khitrov S.A., Khromov N.A., Kurskiev G.S., Larionov M.M., Melnik A.D., Minaev V.B., Mineev A.B., Mironov M.I., Miroshnikov I.V., Mu-khin E.E., Novokhatsky A.N., Panasenkov A.A., Pat-rov M.I., Petrov A.V., Petrov Yu.V., Podushnikova K.A., Rozhansky V.A., Rozhdestvensky V.V., Sakharov N.V., Shevelev A.E., Senichenkov I.Yu., Shcherbinin O.N., Stepanov A.Yu., Tolstyakov S.Yu., Varfolomeev V.I., Voronin A.V., Yagnov V.A., Yashin A.Yu., Zhilin E.G. // Nucl. Fusion. 2011. V. 51. 103019. https://doi.org/10.1088/0029-5515/51/10/103019
Gusev V.K., Aleksandrov S.E., Alimov V.Kh., Arkhi-pov I.I., Ayushin B.B., Barsukov A.G., Ber B.Ya., Chernyshev F.V., Chugunov I.N., Dech A.V., Golant V.E., Gorodetsky A.E., Dyachenko V.V., Kochergin M.M., Kurskiev G.S., Khitrov S.A., Khromov N.A., Lebedev V.M., Leonov V.M., Litunovsky N.V., Mazul I.V., Minaev V.B., Mineev A.B., Mironov M.I., Miroshnikov I.V., Mu-khin E.E., Nikolaev Yu.A., Novokhatsky A.N., Panasenkov A.A., Patrov M.I., Petrov M.P., Petrov Yu V., Podushnikova K.A., Rozhansky V.A., Rozhdestvensky V.V., Sakharov N.V., Shcherbinin O.N., Senichenkov I.Yu., Shevelev A.E., Suhov E.V., Trapesnikova I.N., Teru-kov E.I., Tilinin G.N., Tolstyakov S.Yu., Varfolome-ev V.I., Voronin A.V., Zakharov A.P., Zalavutdinov R.Kh., Yagnov V.A., Kuznetsov E.A., Zhilin E.G. // Nucl. Fusion. 2009. V. 49. 104021. https://doi.org/10.1088/0029-5515/49/10/104021
Kurskiev G.S., Gusev V.K., Sakharov N.V., Bakharev N.N., Iblyaminova A.D., Shchegolev P.B., Avdeeva G.F., Kiselev E.O., Minaev V.B., Mukhin E.E., Patrov M.I., Petrov Yu.V., Telnova A.Yu., Tolstyakov S.Yu. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2017. V. 59. 045010. https://doi.org/10.1088/1361-6587/aa5cd5
Solokha V.V., Kurskiev G.S., Patrov M.I., Yashin A.Y. // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2179. 020025. https://doi.org/10.1063/1.5135498
Rhodes T.L., Ritz Ch.P., Lin H. // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 65. P. 583. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.65.583
Leonard A.W. // Phys. Plasmas. 2014. V. 21. 090501. https://doi.org/10.1063/1.4894742
Буланин В.В., Лебедев С.В., Левин Л.С., Ройтерштейн В.С. // Физика плазмы. 2000. Т. 26. С. 867. [Bulanin V.V., Lebedev S.V., Levin L.S., Royter-shteyn V.S. // Plasma Phys. Rep. 2000. V. 26. P. 813. ] https://doi.org/10.1134/1.1316822
Hirsch M., Holzhauer E., Baldzuhn J., Kurzan B., Scott B. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2001. V. 43. P. 1641. https://doi.org/10.1088/0741-3335/43/12/302
Conway G.D., Schirmer J., Klenge S., Suttrop W., Holzhauer E. and the ASDEX Upgrade Team // Plasma Phys. Control. Fusion. 2004. V. 46. P. 951. https://doi.org/10.1088/0741-3335/46/6/003
Буланин В.В., Варфоломеев В.И., Гусев В.К., Ива-нов А.Е., Крикунов С.В., Курскиев Г.С., Ларионов М.М., Минаев В.Б., Патров М.И., Петров А.В., Пет-ров Ю.В., Сахаров Н.В., Толстяков С.Ю., Хро-мов Н.А., Яшин А.Ю. // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. № 7. С. 103. [Bulanin V.V., Varfolomeev V.I., Gusev V.K., Ivanov A.E., Krikunov S.V., Kurskiev G.S., Larionov M.M., Minaev V.B., Patrov M.I., Petrov A.V., Petrov Yu.V., Sakharov N.V., Tolstyakov S.Yu., Khromov N.A., Yashin A.Yu. // Tech. Phys. Lett. 2011. V. 37. P. 340. ] https://doi.org/10.1134/S1063785011040043
Bulanin V.V., Gusev V.K., Khromov N.A., Kurskiev G.S., Minaev V.B., Patrov M.I., Petrov A.V., Petrov M.A., Petrov Yu.V., Prisiazhniuk D., Sakharov N.V., Tolstya-kov S.Yu., Yashin A.Yu. // Nucl. Fusion. 2019. V. 59. 096026. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab2cdf
Буланин В.В., Вагнер Ф., Варфоломеев В.И., Гусев В.К., Курскиев Г.С., Минаев В.Б., Патров М.И., Пет-ров А.В., Петров Ю.В., Присяжнюк Д.В., Саха-ров Н.В., Толстяков С.Ю., Хромов Н.А., Щего-лев П.Б., Яшин А.Ю. // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. № 9. С. 24. [Bulanin V.V., Wagner F., Varfolomeev V.I., Gusev V.K., Kurskiev G.S., Minaev V.B., Patrov M.I., Petrov A.V., Petrov Yu.V., Prisyazhnyuk D.V., Sakha-rov N.V., Tolstyakov S.Yu., Khromov N.A., Shchego-lev P.B., Yashin A.Yu. // Tech. Phys. Lett. 2014. V. 40. P. 375 ] https://doi.org/10.1134/S106378501405006X
Yashin A.Y., Bulanin V.V., Petrov A.V., Petrov M.A., Gusev V.K., Khromov N.A., Kurskiev G.S., Patrov M.I., Petrov Y.V., Tolstyakov S.Y., Prisyazhnyuk D.V. // JINST. 2015. 10. 10023. https://doi.org/10.1088/1748-0221/10/10/P10023
Yashin A.Yu., Bulanin V.V., Gusev V.K., Kurskiev G.S., Patrov M.I., Petrov A.V., Petrov Yu.V., Tolstyakov S.Yu. // Nucl. Fusion. 2018. V. 58. 112009. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aac4d8
Буланин В.В., Гусев В.К., Курскиев Г.С., Минаев В.Б., Патров М.И., Петров А.В., Петров М.А., Пет-ров Ю.В., Тельнова А.Ю., Яшин А.Ю. // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. № 23. С. 40. [Bulanin V.V., Gu-sev V.K., Kurskiev G.S., Minaev V.B., Patrov M.I., Pet-rov A.V., Petrov M.A., Petrov Yu.V., Telnova A.Yu., and Yashin A.Yu. // Tech. Phys. Lett. 2017. V. 43. P. 1067] https://doi.org/10.1134/S106378501712003310.1134/S1063785017120033 ]https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.23.45274.16986
Дополнительные материалы отсутствуют.