磁鏡場(chǎng)中離子回旋波加熱

摘 要：離子回旋波（ICRF）加熱作為一種射頻波加熱手段在許多核聚變實(shí)驗(yàn)中扮演重要角色，文章基于冷等離子體中的色散關(guān)系，給出了磁鏡場(chǎng)中ICRF的共振與截止的理論表達(dá)式，探討共振區(qū)與截止區(qū)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度、射頻頻率、離子成分等參數(shù)變化時(shí)的分布特性。實(shí)驗(yàn)表明，射頻頻率，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)引起共振區(qū)的擴(kuò)張和收縮，離子成分對(duì)截止區(qū)寬度影響顯著。

關(guān)鍵詞：離子回旋波；色散關(guān)系；共振加熱；截止區(qū)

引言

ICRF加熱作為重要的射頻波加熱手段，在托卡馬克裝置中得到廣泛應(yīng)用[1]。許多裝置將它作為主要的加熱手段之一，技術(shù)也日臻成熟[2]-[4]。在國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）上，ICRF的加熱功率為20MW[5]，而在國(guó)內(nèi)的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克裝置（EAST）上加熱功率也達(dá)到6MW[6]。ICRF共振加熱利用波在等離子體中傳播和吸收的性質(zhì)，通過(guò)離子回旋共振加熱等離子體。因此，研究共振截取區(qū)的位置變化對(duì)于提高加熱效率至關(guān)重要。文章從等離子體色散關(guān)系入手，計(jì)算出ICRF波滿足共振條件和截止條件的理論表達(dá)式，結(jié)合具體磁鏡場(chǎng)位型，分析磁場(chǎng)強(qiáng)度、射頻頻率、粒子成分等參數(shù)對(duì)共振截止區(qū)的影響。

1 公式推導(dǎo)

如圖1所示，在其他參數(shù)不變的情況下，共振區(qū)對(duì)于射頻頻率的變化較為敏感，當(dāng)射頻頻率在 時(shí)，共振區(qū)處于離子中心區(qū)，加熱效果較好，隨著射頻頻率增加，該區(qū)域向離子邊緣區(qū)移動(dòng)，并與部分截止區(qū)發(fā)生重疊；截止區(qū)變化不明顯。

如圖2所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度B0=0.45T時(shí)，共振區(qū)域均處于離子中心區(qū)，加熱效果良好；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大或過(guò)小時(shí)都無(wú)法達(dá)到良好的共振效果。此外磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)截止區(qū)影響不明顯。

如圖3所示，若只存在一種離子成分，共振區(qū)和截止區(qū)都處于離子低密度區(qū)域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)離子加熱。當(dāng)N2+離子的成分比例高于90%時(shí)，共振加熱效果較好，隨著N2+離子的占比增加，共振區(qū)向離子高密度區(qū)域移動(dòng)，同時(shí)截止區(qū)也明顯變寬。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)冷等離子體色散方程，計(jì)算ICRF共振截止面理論表達(dá)式，結(jié)合磁鏡場(chǎng)的具體情況，探討共振區(qū)與截止區(qū)隨離子成分、磁場(chǎng)強(qiáng)度、射頻頻率等參數(shù)變化時(shí)的分布特性。

結(jié)果表明單粒子成分無(wú)法實(shí)現(xiàn)ICRF共振，須采用成分比例相差較大的雙粒子成分且當(dāng)多數(shù)粒子成分比例高于90%時(shí)，共振加熱效果良好；離子成分影響共振與截止區(qū)的寬度；磁場(chǎng)強(qiáng)度和射頻頻率會(huì)引起共振區(qū)的擴(kuò)張和收縮。在進(jìn)行ICRF加熱研究時(shí)，需要考慮上述參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

文章討論的共振截止區(qū)為二維剖面，計(jì)算過(guò)程中簡(jiǎn)化了磁場(chǎng)位型，未考慮到軸向磁場(chǎng)對(duì)共振截止區(qū)的影響，為了提高精確度，可進(jìn)一步研究三維共振截止區(qū)。

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