Электронно-циклотронный резонансный нагрев

Принцип действия

Электронно-циклотронный резонансный (ЭЦР) нагрев основан на явлении резонансного взаимодействия колеблющегося электромагнитного поля с электронами, вращающимися в магнитном поле. При наложении магнитного поля на плазму электроны движутся по спиральным траекториям вокруг силовых линий с частотой, называемой циклотронной частотой электрона:

$$ \omega_{ce} = \frac{e B}{m_e}, $$

где e — заряд электрона, B — магнитная индукция, me — масса электрона.

Если частота внешнего электромагнитного поля совпадает с циклотронной частотой (ωRF = ωce), электроны поглощают энергию из поля наиболее эффективно. Это приводит к быстрому росту их кинетической энергии и, как следствие, к нагреву плазмы.

Важнейшие характеристики ЭЦР-нагрева

  1. Выбор частоты излучения Частота ЭЦР-нагрева обычно находится в диапазоне нескольких гигагерц до десятков гигагерц, в зависимости от величины магнитного поля. Например, при поле B = 2 Тл циклотронная частота электрона составляет приблизительно 56 ГГц.

  2. Резонансная поверхность Энергия поглощается на так называемой поверхности ЭЦР внутри плазменного объема, где выполняется условие резонанса. Форма этой поверхности определяется распределением магнитного поля: в тороидальных устройствах это, как правило, замкнутые поверхности, следящие за изолиниями магнитной индукции.

  3. Механизм передачи энергии Электроны при резонансе начинают интенсивно ускоряться вдоль траектории вращения. Высокоэнергетические электроны затем передают часть своей энергии ионам через электронно-ионное столкновение, обеспечивая прогрев всей плазмы.

Особенности ЭЦР-нагрева в тороидальных устройствах

  • Локализация поглощения энергии: ЭЦР-нагрев позволяет точечно нагревать плазму вблизи центра устройства, что способствует улучшению термодинамической устойчивости и уменьшению потерь энергии на периферии.
  • Высокая эффективность для начального разогрева: Особенно полезен при нагреве плазмы до температур порядка нескольких кэВ, когда омический нагрев уже теряет эффективность.
  • Селективное ускорение электронов: В отличие от ионных методов нагрева, ЭЦР фокусируется на электронах, что критично для формирования высокотемпературного электронного компонента плазмы.

Проблемы и ограничения ЭЦР-нагрева

  1. Резонансная зона ограничена геометрией поля Энергия передается только в зоне, где выполняется условие ωRF = ωce, что требует точной настройки магнитного поля и частоты излучения.
  2. Дифракция и поглощение волн При высоких плотностях плазмы могут возникать отражения или затухание ЭМ волн, ограничивающие глубину проникновения в центральные области.
  3. Энергетическое неравновесие Поскольку энергия передается преимущественно электронам, ионный компонент нагревается медленнее, что может приводить к неравновесию температур и росту аномальных транспортных потерь.

Методы повышения эффективности

  • Использование обратной волны (X-mode), позволяющей проникать в плотные области плазмы.
  • Применение многочастотного облучения, создающего расширенный диапазон резонансных поверхностей.
  • Оптимизация поля магнитного тороида для увеличения площади взаимодействия с ЭМ волной.

Применение ЭЦР-нагрева

ЭЦР-нагрев активно используется в современных термоядерных установках для:

  • Инициализации плазмы перед запуском основных токов.
  • Поддержания стабильной температуры электронов при высоких плотностях.
  • Контроля профиля температуры для подавления микромагнитных неустойчивостей.

В крупных токамаках и стеллараторах ЭЦР-нагрев стал стандартным инструментом управления энергетическим балансом плазмы, дополняя омический и ионно-циклотронный нагрев.

Оглавление