Ионно-циклотронный резонансный нагрев

Ионно-циклотронный резонансный нагрев (ИКРН, или ICRH — Ion Cyclotron Resonance Heating) является одним из ключевых методов нагрева плазмы в термоядерных установках, особенно в токамаках и стеллараторах. Этот метод основан на резонансном взаимодействии ионов плазмы с высокочастотным электромагнитным полем в диапазоне ионных циклотронных частот.

Физическая основа

Ионы в магнитном поле движутся по спирали вдоль силовых линий магнитного поля с частотой, называемой ионоциклотронной частотой:

$$ \Omega_i = \frac{Z e B}{m_i} $$

где:

  • Z — заряд иона,
  • e — элементарный заряд,
  • B — магнитная индукция,
  • mi — масса иона.

Когда частота внешнего радиочастотного (РЧ) поля ω совпадает с Ωi, возникает резонансное поглощение энергии ионами. В результате ионы получают направленную энергию, которая затем перераспределяется через столкновения, повышая температуру всей плазмы.

Основные компоненты системы ИКРН

  1. РЧ-генератор и антенна

    • Генератор создаёт электромагнитное поле с частотой в диапазоне ионной циклотронной частоты.
    • Антенна (обычно токовая катушка или дипольная структура) вводит это поле в плазму, создавая поперечное электрическое поле, которое эффективно ускоряет ионы.

  2. Резонансная зона

    • Это область плазмы, где выполняется условие резонанса ω = Ωi.
    • Геометрическое расположение антенн и конфигурация магнитного поля обеспечивают локализацию нагрева в нужной зоне.

  3. Передача энергии

    • Поглощение энергии ионами происходит преимущественно в резонансной зоне.
    • Энергия распределяется через столкновения и турбулентные процессы, увеличивая температуру электронов и ионов.

Механизмы нагрева

1. Прямое резонансное ускорение ионов

  • Ионы, находящиеся в резонансной зоне, получают кинетическую энергию от перпендикулярного компонента РЧ-поля.
  • Резонансное ускорение приводит к росту поперечной температуры T⟂.

2. Перенос энергии на электроны

  • Через коллизионные процессы энергия ионов передается электронам, повышая общую температуру плазмы.
  • В плазмах низкой плотности коллизионная передача менее эффективна, поэтому основной вклад в нагрев дает именно ионный компонент.

3. Участие различных видов ионов

  • ИКРН особенно эффективен для ионов с меньшей массой, например, дейтрона или трития, благодаря высокой чувствительности к резонансной частоте.
  • При наличии нескольких видов ионов возможно избирательное нагревание определённого вида, что важно для оптимизации термоядерного горения.

Параметры эффективности

  1. Резонансная ширина

    • Определяется градиентом магнитного поля и характеристиками РЧ-антенны.
    • Широкая зона резонанса позволяет нагревать большее число ионов, но снижает точность локализации.

  2. Частота РЧ-поля

    • Настраивается под циклотронную частоту конкретного вида ионов.
    • Для дейтрона и трития в токамаке частота обычно составляет 20–100 МГц в зависимости от магнитного поля.

  3. Мощность и коэффициент поглощения

    • Типичные значения мощности для токамаков средней величины — десятки мегаватт.
    • Коэффициент поглощения зависит от плотности плазмы, температуры и конфигурации магнитного поля.

Влияние на плазму

  • Разогрев ионов и электронов: основной эффект — повышение температуры ионов, затем через коллизии разогрев электронами.
  • Изменение профиля плотности: локальное нагревание может вызывать движение плазмы и изменение профиля плотности, что учитывается при проектировании экспериментов.
  • Взаимодействие с турбулентностью: ИКРН может стимулировать или подавлять микротурбулентные процессы, влияя на транспорт энергии.

Практические аспекты

  1. Антенны и их расположение

    • В токамаках антенны располагаются снаружи вакуумной камеры, близко к плазме, но так, чтобы не было прямого контакта.
    • Конструкция антенн определяет направление и поляризацию поля, что критично для эффективности резонанса.

  2. Согласование импедансов

    • Важно минимизировать отражённую мощность и обеспечить максимальную передачу энергии в плазму.
    • Используются тюнеры и согласующие элементы, адаптирующие антенну к плазменной нагрузке.

  3. Управление частотой и мощностью

    • Частота должна точно совпадать с циклотронной частотой, учитывая пространственные вариации магнитного поля.
    • Мощность регулируется для контроля температуры и избежания повреждения антенн или плазменных ограничителей.

Применение в современных установках

  • Токамак ITER: планируется использование ИКРН для предварительного нагрева дейтрона и трития до температур порядка 10–20 млн К.
  • Сферические токамаки и стеллараторы: ИКРН применяется для локального нагрева и формирования профиля температуры и тока.
  • Исследования избирательного нагрева: современные эксперименты используют ИКРН для ускорения определённых видов ионов, например, для генерации альфа-частиц и повышения эффективности термоядерного горения.
Оглавление