Изучение АИЦ неустойчивости

В 2014 году на ГДЛ изучалось развитие кинетической альфвеновской ионно-циклотронной (АИЦ) неустойчивости плазмы и её влияние на потери горячих ионов из плазмы. Главным выводом из анализа предсказаний теоретической модели, описывающей взаимодействие ионов с альфеновской волной, является утверждение, что в условиях ГДЛ активно взаимодействует с волной только небольшая доля горячих ионов, находящаяся в узкой области фазового пространства вблизи точки, соответствующей угловому разбросу и скорости захваченных ионов нейтральных пучков. Это дает благоприятное для магнитных ловушек открытого типа предсказание относительно влияния данной микронеустойчивости на удержание горячих ионов, поскольку область активного взаимодействия частиц с волной оказывается достаточно далеко в фазовом пространстве от границы конуса потерь. Ожидалось, что альфвеновская ионно-циклотронная неустойчивость в ГДЛ и системах термоядерного класса на её основе не должна вызвать существенного увеличения потерь горячих ионов. Для экспериментальной проверки этих выводов теории был проведён ряд экспериментов на ГДЛ. В качестве основной диагностики использовался пятиканальный магнитный энергоанализатор, расположенный в расширителе. С его помощью был измерен энергетический спектр ионов, покидающих центральную ячейку ГДЛ вдоль силовых линий магнитного поля, в широком диапазоне энергий, проанализированы временные зависимости абсолютных значений мощности, выносимой в пробку и средней энергии частиц, покидающих установку

Рис. 1. Функция распределения ионов покидающих плазму вдоль силовых линий магнитного поля.

На рис.4.1.5 представлены результаты измерения энергетического распределения ионов во время развития АИЦ и без неё в диапазоне энергий от 2,5 кэВ до 25 кэВ. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что во время развития АИЦ наблюдается увеличения ширины пика плотности горячих ионов в области остановки (уменьшается степень анизотропии) и увеличиваются потери частиц вдоль силовых линий магнитного поля на энергиях вблизи 7-10 кэВ, что заметно меньше энергии инжектируемых дейтронов 25 кэВ. Мощность потерь при развитии неустойчивости, отнесённая к захватываемой плазмой мощности при нагреве атомарной инжекций ~2 МВт составляет менее 0.5%. Данный экспериментальный факт подтверждает выводы теории о несущественном влиянии развития АИЦ на продольные потери горячих ионов в эксперименте на установке ГДЛ.

Изучение глобальных акустических мод

Ещё один важный результат 2014 года был получен при изучении развития глобальных акустических мод с помощью системы низкочастотных магнитных зондов. В режиме с ЭЦР нагревом при разложении сигналов с магнитных датчиков в спектр были обнаружены колебания на частоте порядка 90-100 кГц с азимутальной модой m=0 (рис. 4.1.6). Из анализа фаз сигналов с датчиков линейной сборки была установлена продольная структура колебаний - наблюдались колебания с продольной модой N=1. Азимутальная и продольная структура колебаний, а также частота колебаний повторяют картину, наблюдавшуюся в режиме без ЭЦР нагрева.
Отличительной чертой зарегистрированных колебаний в режиме с ЭЦР нагревом является их амплитуда. Она превышает максимальную амплитуду соответствующих колебаний в режиме без ЭЦР нагрева в 2-3 раза в месте расположения линейной сборки магнитных зондов. Амплитуда колебаний относительного давления плазмы в точке остановки быстрых ионов составляет порядка 1-2 процентов от его полной величины. Также в режиме с ЭЦР нагревом изменился характер затухания колебаний. Без ЭЦР нагрева резкий рост амплитуды до максимальных значений наблюдается в моменты возбуждения АИЦ неустойчивости. Амплитуда возвращается к прежнему уровню через 4-5 периодов после её резкого роста. С другой стороны, в режиме с ЭЦР нагревом колебания сохраняют значительную амплитуду вплоть до начала стадии распада плазмы и даже через 0,5 мс после выключения гиротронов. Несмотря на развитие глобальной акустической моды значительной амплитуды, не происходит ухудшение удержания плазмы в ГДЛ, по крайней мере, исходя из энергосодержания плазмы и интегрального выхода нейтронов.

Рис. 2. Развитие глобальной акустической моды: a) сигнал с магнитного зонда; б) спектр сигнала с магнитного зонда; в) энергосодержание плазмы.