Сотрудники кафедры и студенты активно участвуют в исследованиях, посвященных развитию методов высокочастотного нагрева плазмы, которые развиваются в ФТИ им. Иоффе в лаборатории Физики высокотемпературной плазмы. Дело в том, что эффективность омического нагрева плазмы протекающим током в токамаке-реакторе уменьшается с ростом ее температуры. Поэтому для достижения термоядерных температур необходимы использование и разработка методов дополнительного нагрева плазмы. В настоящее время в рамках лаборатории существует группа ВЧ методов нагрева плазмы. На всех токамаках лаборатории ( ФТ-1, ФТ-2, Туман-3, Глобус-М) в разное время проводились эксперименты по нагреву плазмы в электронно-циклотронном , нижне-гибридном и ионно-циклотронном диапазонах частот. Успеху этих исследований способствовали работы теоретической группы лаборатории.
Электронно-циклотронный метод нагрева основан на поглощении электромагнитной (ЭМ) энергии электронами в режиме циклотронного резонанса. Для современных установок этот метод использует излучение в диапазоне частот 50-100 ГГц. Практическое применение и перспективы метода стали возможными после разработки в СССР нового типа генерирующих приборов –гиротронов, которые сочетали в себе выходную мощность в сотни киловатт на столь высоких частотах. За практическое применение и первые эксперименты с использованием гиротронов заведующий лабораторией В.Е.Голант был удостоен Государственной Премии.
Нижне-гибридный способ нагрева плазмы предполагает более сложные механизмы поглощения ЭМ энергии электронами и ионами. Практический диапазон частот лежит в пределах 1-10 ГГц. Высокий уровень используемых ВЧ мощностей обеспечивается генераторными приборами типа клистрон и магнетрон. Теоретические ожидания высокой эффективности нагрева ионов в экспериментах на токамаках, в том числе на ФТ-1 и ФТ-2, не оправдались. Оказалось, что при распространении в плотной плазме, волна испытывает нелинейные, параметрические распады на дочерние, более низкочастотные волны, которые «бесполезно» теряют свою энергию на периферии плазменного разряда. С другой стороны, этот тип волн, в полном соответствии с предсказаниями теории, при определенных условиях обладает высокой эффективностью генерации неиндукционного тока в токамаках при взаимодействии волны с электронами за счет затухания Ландау. Это направление исследований являлось основным для токамака ФТ-1. В последние годы подобные эксперименты перенесены на сферический токамак Глобус-М. Для сферических токамаков эксперименты по генерации тока имеют ряд особенностей и являются пионерскими.
Самым низкочастотным (10-50 МГц) и наиболее хорошо изученным является метод нагрева ионов плазмы с использованием ионно-циклотронного резонансного механизма поглощения волны. В нашей лаборатории этот метод исследовался на токамаке Туман-3 , а в последнее время – на установке Глобус-М, где получены также новые, интересные результаты. Для сферических токамаков подобный эксперимент является пока единственным. Приведенный рисунок показывает эволюцию ионной температуры в режимах омического разряда и с использованием ВЧ нагрева. Здесь же изображен результат численного моделирования (сплошная линия).
Эксперименты по генерации тока и ионноциклотронному нагреву на установке Глобус-М продолжаются в направлении разработки новых антенных устройств, повышению уровня вводимой ВЧ мощности, увеличению эффективности этих методов. На фото представлена десятиволноводная антенна — сфазированная решетка, разработанная и используемая в экспериментах по генерации тока на установке Глобус-М.
Дополнительную информацию можно найти в следующих публикациях:
- N.Shcherbinin, V.V.Dyachenko, F.V.Chernyshev, V.K.Gusev, Yu.V.Petrov, N.V.Sakharov, V.M.Leonov, Numerical modeling and experimental study of ICR heating in the spherical tokamak Globus-M. Nuclear Fusion, 46, (2006), S592-S597
- V.Dyachenko, O.N.Shcherbinin, E.Z.Gusakov et al. The first lower hybrid current drive experiments in the spherical tokamak Globus-M. Nucl.Fusion 55 (2015) 113001