Влияние электродной поляризации и динамического эргодического дивертора на характеристики прерывистых всплесков плотности плазмы в токамаке

  • Иракли [Irakli] Сулханович [S.] Нанобашвили [Nanobashvili]
  • Оост [Oost] Гвидо [Guido] Ван [Van]
Ключевые слова: турбулентность плазмы, процессы турбулентного переноса, когерентные турбулентные структуры, электродная поляризация, динамический эргодический дивертор, термоядерный синтез, токамак

Аннотация

Изучены прерывистые всплески плотности плазмы, зафиксированые Ленгмюровскими зондами в периферийной области токамака TEXTOR. Они появляются в результате турбулентных процессов переноса плазмы — зарождения и передвижения различных когерентных турбулентных структур. Данные процессы мешают протеканию управляемого термоядерного синтеза — ухудшают удержание плазмы, вызывают повышенную тепловую нагрузку на стенку вакуумной камеры и другие компоненты, расположенные вблизи плазмы, а также их сильную эрозию вместе с нежелательным захватом трития. Следовательно, изучение турбулентных процессов переноса плазмы и динамики когерентных турбулентных структур — одна из важнейших задач на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза, особенно в контексте разработки и усовершенствования методов внешнего контроля турбулентных процессов переноса плазмы. Метод электродной поляризации и динамический эргодический дивертор часто используются для внешнего воздействия на термоядерную плазму и управления процессов турбулентного переноса. Следует отметить, что изучение временных характеристик всплесков плотности плазмы и их радиальной зависимости позволяет лучше понять и глубже вникнуть в физическую природу турбулентных процессов переноса плазмы и динамику когерентных турбулентных структур.

В настоящей работе временные характеристики всплесков плотности плазмы и их радиальная зависимость изучены в двух различных режимах — с электродной поляризацией и динамическим эргодическим дивертором. В обоих случаях наблюдаются похожие изменения характеристик прерывистых всплесков — средний темп всплесков возрастает, а их средняя длительность уменьшается по сравнению с омическим режимом. Причина заключается в том, что электродная поляризация и отдельные режимы динамического эргодического дивертора вызывают изменения радиального электрического поля. Это похожим образом воздействует на динамику когерентных турбулентных структур и процессы переноса плазмы посредством сдвигового полоидального течения, которое возникает вследствие электрического дрейфа из-за существования радиального электрического и тороидального магнитного полей, перпендикулярных друг к другу.

После детального исследования и усовершенствования должно стать возможным применение определённых режимов динамического эргодического дивертора в роли бесконтактной поляризации для внешнего контроля турбулентного переноса плазмы в термоядерных установках.

Сведения об авторах

Иракли [Irakli] Сулханович [S.] Нанобашвили [Nanobashvili]

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник института физики им. Э. Андроникашвили Тбилисского государственного университета им. Ив. Джавахишвили, e-mail: inanob@yahoo.com

Оост [Oost] Гвидо [Guido] Ван [Van]

Ph.D (физико-математические науки), профессор департамента прикладной физики Гентского университета, e-mail: guido.vanoost@ugent.be

Литература

1. Nanobashvili I. et. al. Comparative Analysis of Intermittent Burst Temporal Characteristics at the Edge of the CASTOR and Tore Supra Tokamaks // Phys. Plasmas. 2009. V. 16. P. 022309.
2. Nanobashvili I. et. al. About Bursty Behaviour, Coherent Structures, wide Scrape-off Layer and Large Parallel Flows in the Edge of the Tore Supra Tokamak // Czech. J. Phys. 2006. V. 56. Pp. 1339—1351.
3. Nanobashvili I., Gunn J., Devynck P. Radial Profiles of Plasma Turbulent Fluctuations in the Scrape-off Layer of the Tore Supra Tokamak // J. Nucl. Mater. 2007. V. 363 — 365. P. 622.
4. Nanobashvili I. et. al. Characterization of Intermittent Bursts at the Edge of the CASTOR Tokamak // Plasma Phys. Rep. 2008. V. 34. P. 720—724.
5. Weynants R.R. et. al. Confinement and Profile Chan-ges Induced by the Presence of Positive or Negative Radial Electric Fields in the Edge of the TEXTOR Tokamak // Nucl. Fusion. 1992. V. 32. No. 5. Pp. 837—854.
6. Finken K.H. et. al. The Dynamic Ergodic Divertor in the TEXTOR Tokamak: Plasma Response to Dynamic Helical Magnetic Field Perturbations // Plasma Phys. Control. Fusion. 2004. V. 46. No. 128. Pp. 143—156.
7. Xu Y. et. al. Influence of the Static Dynamic Ergodic Divertor on Edge Turbulence Properties in TEXTOR // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97 (16). P. 165003.
8. Xu Y. et. al. Edge Turbulence During the Static Dynamic Ergodic Divertor Experiments in TEXTOR // Nucl. Fusion. 2007. V. 47. Pp. 1696—1709.
9. Stangeby P.C., McCracken G.M. Plasma Boundary Phenomena in Tokamaks // Nucl. Fusion. 1990. V. 30. No. 7. Pp. 1225—1379.
10. Antar G.Y. et. al. Experimental Evidence of Intermittent Convection in the Edge of Magnetic Confinement Devices // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 065001.
11. Antar G.Y., Devynck P., Garbet X., Luckhardt S.C. Turbulence Intermittency and Burst Properties in Tokamak Scrape-off Layer // Phys. Plasmas. 2001. V. 8 (5). Pp. 1612—1624.
12. Kirnev G.S., Budaev V.P., Grashin S.A., Gerasimov E.V., Khimchenko L.N. Intermittent Transport in the Plasma Periphery of the T-10 Tokamak // Plasma Phys. Control. Fusion. 2004. V. 46 (4). Pp. 621—624.
13. Graves J.P., Horacek J., Pitts R.A., Hopkraft K.I. Self-similar Density Turbulence in the TCV Tokamak Scrape-off Layer // Plasma Phys. Control. Fusion. 2005. V. 47 (3). L. 1.
14. Xu Y.H., Jachmich S., Weynants R.R. On the Properties of Turbulence Intermittency in the Boundary of the TEXTOR Tokamak // Plasma Phys. Control. Fusion. 2005. V. 47 (10). P. 1841.
15. Maqueda R.J. et. al. Edge Turbulence Measurements in NSTX by Gas Puff Imaging // Rev. Sci. Instrum. 2001. V. 72 (1). Pp. 931—934.

16. Zweben S.J. еt. аl. Edge Turbulence Imaging in the Alcator C-Mod Tokamak // Phys. Plasmas. 2002. V. 9. P. 1981.
17. Terry J.L. et. al. Observations of the Turbulence in the Scrape-off-layer of Alcator C-Mod and Comparisons with Simulation // Phys. Plasmas 2003. V. 10. P. 1739—1747.
18. Filippas A.V. еt. аl. Conditional Analysis of Floating Potential Fluctuations at the Edge of the Texas Experimental Tokamak Upgrade (TEXT‐U) // Phys. Plasmas. 1995. V. 2 (3). Pp. 839—845.
19. Joseph B.K. et. al. Observation of Vortex-like Coherent Structures in the Edge Plasma of the ADITYA Tokamak // Phys. Plasmas. 1997. V. 4 (12). Pp. 4292—4300.
20. Carreras B.A. et. al. Fluctuation‐induced Flux at the Plasma Edge in Toroidal Devices // Phys. Plasmas. 1996. V. 3 (7). Pp. 2664—2672.
21. LaBombard B. et. al. Cross-field Plasma Transport and Main-Chamber Recycling in Diverted Plasmas on Alcator C-Mod // Nucl. Fusion. 2000. V. 40 (12). P. 2041—2094.
22. Moyer R.A., Lehmer R.D., Evans T.E., Conn R.W., Schmitz L. Nonlinear Analysis of Turbulence Across the L to H transition // Plasma Phys. Controlled Fusion. 1996. V. 38. No. 8. Pp. 1273—1278.
23. Antar G.Y., Cousnell G., Yu Y., LaBombard B., Devynck P. Universality of Intermittent Convective Transport in the Scrape-off Layer of Magnetically Confined Devices // Phys. Plasmas. 2003. V. 10. P. 419.
24. Boedo J.A. еt. аl. Transport by Intermittent Convection in the Boundary of the DIII-D Tokamak // Phys. Plasmas. 2001. V. 8. Pp. 4826—4833.
25. Boedo J.A. еt. аl. Transport by Intermittency in the Boundary of the DIII-D Tokamak // Phys. Plasmas. 2003. V. 10. No. 5. Pp. 1670—1677.
26. Shatalin S.V., Pavlov A.V., Popov A.Yu., Lashkul S.I., Esipov L.A. Investigation of Statistical Properties of Peripheral Fluctuations During an L-H Transition in the FT-2 Tokamak // Plasma Phys. Rep. 2007. V. 33. Pp. 169—178.
27. Sanchez R., Van Milligen B.Ph., Newman D.E., Carreras B.A. Quiet-time Statistics of Electrostatic Turbulent Fluxes from the JET Tokamak and the W7- AS and TJ-II Stellarators // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 90. No. 18. P. 185005.
28. Nielsen A.H., Pesceli H.L., Rasmussen J.J. Turbulent Transport in low‐β plasmas // Phys. Plasmas. 1996. V. 3 (5). Pp. 1530—1544.
29. Carter T.A. Intermittent Turbulence and Turbulent Structures in a Linear Magnetized Plasma // Phys. Plasmas. 2006. V. 13 (1). P. 010701.
30. Windisch T., Grulke O., Klinger T. Radial Propagation of Structures in Drift Wave Turbulence // Phys. Plasmas. 2006. V. 13. P. 122303.
31. Spolaore M. et. al. Vortex-induced Diffusivity in Reversed Field Pinch Plasmas // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 215003.
32. Spolaore M. et. al. Effects of E×B Velocity Shear on Electrostatic Structures // Phys. Plasmas. 2002. V. 9 (10). Pp. 4110—4113.
33. Furno I. еt. аl. Experimental Observation of the Blob-Generation Mechanism from Interchange Waves in a Plasma // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. P. 055004.
34. Katz N., Egedal J., Fox W., Le A., Porkolab M. Experiments on the Propagation of Plasma Filaments // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. P. 015003.
35. Van Oost G. et. al. Multi-machine Studies of the Role of Turbulence and Electric Fields in the Establishment of Improved Confinement in Tokamak Plasmas // Plasma Phys. Control. Fusion. 2007. V. 49. No. 5. Pp. 29—44.
36. Hron M. еt. аl. Edge Turbulence at Plasma Polarization on the CASTOR Tokamak // Czech. J. Phys. 1999. V. 49. No. 3. P. 181.
37. Stöckel J. et. al. Fluctuation Studies at Plasma Polarization on the CASTOR Tokamak // Research and Appl. Plasmas. 2000. V. 41. P. 49.
38. Beyer P., Garbet X., Benkadda S., Ghendrih P., Sarazin Y. Electrostatic Turbulence and Transport with Stochastic Magnetic Field Lines // Plasma Phys. Control. Fusion. 2002. V. 44. Pp. 2167—2175.
39. Devynck P. et. al. Edge turbulence During Ergodic Divertor Operation in Tore Supra // Nucl. Fusion. 2002. V. 42 (6). P. 697.
---
Для цитирования: Нанобашвили И.С., Ван Оост Гвидо. Влияние электродной поляризации и динамического эргодического дивертора на характеристики прерывистых всплесков плотности плазмы в токамаке // Вестник МЭИ. 2020. № 3. С. 17—24. (in English). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-3-17-24.
#
1. Nanobashvili I. et. al. Comparative Analysis of Intermittent Burst Temporal Characteristics at the Edge of the CASTOR and Tore Supra Tokamaks. Phys. Plasmas. 2009;16:022309.
2. Nanobashvili I. et. al. About Bursty Behaviour, Coherent Structures, wide Scrape-off Layer and Large Parallel Flows in the Edge of the Tore Supra Tokamak. Czech. J. Phys. 2006;56:1339—1351.
3. Nanobashvili I., Gunn J., Devynck P. Radial Profiles of Plasma Turbulent Fluctuations in the Scrape- off Layer of the Tore Supra Tokamak. J. Nucl. Mater. 2007;363—365:622.
4. Nanobashvili I. et. al. Characterization of Intermittent Bursts at the Edge of the CASTOR Tokamak. Plasma Phys. Rep. 2008;34:720—724.
5. Weynants R.R. et. al. Confinement and Profile Chan-ges Induced by the Presence of Positive or Negative Radial Electric Fields in the Edge of the TEXTOR Tokamak. Nucl. Fusion. 1992;32;5:837—854.
6. Finken K.H. et. al. The Dynamic Ergodic Divertor in the TEXTOR Tokamak: Plasma Response to Dynamic Helical Magnetic Field Perturbations. Plasma Phys. Control. Fusion. 2004;46;128:143—156.
7. Xu Y. et. al. Influence of the Static Dynamic Ergodic Divertor on Edge Turbulence Properties in TEXTOR. Phys. Rev. Lett. 2006;97 (16):165003.
8. Xu Y. et. al. Edge Turbulence During the Static Dynamic Ergodic Divertor Experiments in TEXTOR. Nucl. Fusion. 2007;47:1696—1709.
9. Stangeby P.C., McCracken G.M. Plasma Boundary Phenomena in Tokamaks. Nucl. Fusion. 1990;30;7: 1225—1379.
10. Antar G.Y. et. al. Experimental Evidence of Intermittent Convection in the Edge of Magnetic Confinement Devices. Phys. Rev. Lett. 2001;87:065001.
11. Antar G.Y., Devynck P., Garbet X., Luckhardt S.C. Turbulence Intermittency and Burst Properties in Tokamak Scrape-off Layer. Phys. Plasmas. 2001;8 (5):1612—1624.
12. Kirnev G.S., Budaev V.P., Grashin S.A., Gerasimov E.V., Khimchenko L.N. Intermittent Transport in the Plasma Periphery of the T-10 Tokamak. Plasma Phys. Control. Fusion. 2004;46 (4):621—624.
13. Graves J.P., Horacek J., Pitts R.A., Hopkraft K.I. Self-similar Density Turbulence in the TCV Tokamak Scrape-off Layer. Plasma Phys. Control. Fusion. 2005; 47 (3). L. 1.
14. Xu Y.H., Jachmich S., Weynants R.R. On the Properties of Turbulence Intermittency in the Boundary of the TEXTOR Tokamak. Plasma Phys. Control. Fusion. 2005;47 (10):1841.
15. Maqueda R.J. et. al. Edge Turbulence Measurements in NSTX by Gas Puff Imaging. Rev. Sci. Instrum. 2001;72 (1):931—934.
16. Zweben S.J. еt. аl. Edge Turbulence Imaging in the Alcator C-Mod Tokamak.. Phys. Plasmas. 2002;9:1981.
17. Terry J.L. et. al. Observations of the Turbulence in the Scrape-off-layer of Alcator C-Mod and Comparisons with Simulation. Phys. Plasmas 2003;10:1739—1747.
18. Filippas A.V. еt. аl. Conditional Analysis of Floating Potential Fluctuations at the Edge of the Texas Experimental Tokamak Upgrade (TEXT‐U). Phys. Plasmas. 1995;2 (3):839—845.
19. Joseph B.K. et. al. Observation of Vortex-like Coherent Structures in the Edge Plasma of the ADITYA Tokamak. Phys. Plasmas. 1997;4 (12):4292—4300.
20. Carreras B.A. et. al. Fluctuation‐induced Flux at the Plasma Edge in Toroidal Devices. Phys. Plasmas. 1996; 3 (7):2664—2672.
21. LaBombard B. et. al. Cross-field Plasma Transport and Main-Chamber Recycling in Diverted Plasmas on Alcator C-Mod. Nucl. Fusion. 2000;40 (12):2041—2094.
22. Moyer R.A., Lehmer R.D., Evans T.E., Conn R.W., Schmitz L. Nonlinear Analysis of Turbulence Across the L to H transition. Plasma Phys. Controlled Fusion. 1996; 38;8:1273—1278.
23. Antar G.Y., Cousnell G., Yu Y., LaBombard B., Devynck P. Universality of Intermittent Convective Transport in the Scrape-off Layer of Magnetically Confined Devices. Phys. Plasmas. 2003;10:419.
24. Boedo J.A. еt. аl. Transport by Intermittent Convection in the Boundary of the DIII-D Tokamak. Phys. Plasmas. 2001;8:4826—4833.
25. Boedo J.A. еt. аl. Transport by Intermittency in the Boundary of the DIII-D Tokamak. Phys. Plasmas. 2003;10;5:1670—1677.
26. Shatalin S.V., Pavlov A.V., Popov A.Yu., Lashkul S.I., Esipov L.A. Investigation of Statistical Properties of Peripheral Fluctuations During an L-H Transition in the FT-2 Tokamak. Plasma Phys. Rep. 2007;3:169—178.
27. Sanchez R., Van Milligen B.Ph., Newman D.E., Carreras B.A. Quiet-time Statistics of Electrostatic Turbulent Fluxes from the JET Tokamak and the W7- AS and TJ-II Stellarators. Phys. Rev. Lett. 2003;90.;18:185005.
28. Nielsen A.H., Pesceli H.L., Rasmussen J.J. Turbulent Transport in low‐β plasmas. Phys. Plasmas. 1996;3 (5):1530—1544.
29. Carter T.A. Intermittent Turbulence and Turbulent Structures in a Linear Magnetized Plasma. Phys. Plasmas. 2006;13 (1): 010701.
30. Windisch T., Grulke O., Klinger T. Radial Propagation of Structures in Drift Wave Turbulence. Phys. Plasmas. 2006;13:122303.
31. Spolaore M. et. al. Vortex-induced Diffusivity in Reversed Field Pinch Plasmas. Phys. Rev. Lett. 2004;93: 215003.
32. Spolaore M. et. al. Effects of E×B Velocity Shear on Electrostatic Structures. Phys. Plasmas. 2002;9 (10): 4110—4113.
33. Furno I. еt. аl. Experimental Observation of the Blob-Generation Mechanism from Interchange Waves in a Plasma. Phys. Rev. Lett. 2008;100:055004.
34. Katz N., Egedal J., Fox W., Le A., Porkolab M. Experiments on the Propagation of Plasma Filaments. Phys. Rev. Lett. 2008;101:015003.
35. Van Oost G. et. al. Multi-machine Studies of the Role of Turbulence and Electric Fields in the Establishment of Improved Confinement in Tokamak Plasmas. Plasma Phys. Control. Fusion. 2007;49;5:29—44.
36. Hron M. еt. аl. Edge Turbulence at Plasma Polarization on the CASTOR Tokamak. Czech. J. Phys. 1999;49;3:181.
37. Stöckel J. et. al. Fluctuation Studies at Plasma Polarization on the CASTOR Tokamak. Research and Appl. Plasmas. 2000;41:49.
38. Beyer P., Garbet X., Benkadda S., Ghendrih P., Sarazin Y. Electrostatic Turbulence and Transport with Stochastic Magnetic Field Lines. Plasma Phys. Control. Fusion. 2002;44:2167—2175.
39. Devynck P. et. al. Edge turbulence During Ergodic Divertor Operation in Tore Supra. Nucl. Fusion. 2002; 42 (6):697.
---
For citation: Nanobashvili I.S., Guido Van Oost. Influence of Electrode Biasing and Dynamic Ergodic Divertor on Characteristics of Intermittent Density Bursts in a Tokamak. Bulletin of MPEI. 2020;3:17—24. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-3-17-24.
---
The work is executed at support: This work was carried out during the visit of I.N. to the Forschungszentrum Jülich (Germany), which was supported by the Erasmus Mundus Higher Education Program. GVO acknowledges for the partial financial support from MEPhI and MPEI in the framework of the Russian Academic Excellence Project.
Опубликован
2019-10-30
Раздел
Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации (05.14.03)