Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas
Additional plasma heating, for example ICRF (Ion Cyclotron Range of Frequencies) heating, allows heating only a group of the fuel particles which will initiate the thermonuclear fusion reaction. But the ICRF heating scenarios are sensitive to the small fractions of the impurities, the fusion product...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109097 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas / I.V. Pavlenko, I.O. Girka, B.I. Leviga // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 43-45. — Бібліогр.: 8 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109097 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Pavlenko, I.V. Girka, I.O. Leviga, B.I. 2016-11-20T18:50:00Z 2016-11-20T18:50:00Z 2012 Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas / I.V. Pavlenko, I.O. Girka, B.I. Leviga // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 43-45. — Бібліогр.: 8 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.50.Qt, 52.25.Os https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109097 Additional plasma heating, for example ICRF (Ion Cyclotron Range of Frequencies) heating, allows heating only a group of the fuel particles which will initiate the thermonuclear fusion reaction. But the ICRF heating scenarios are sensitive to the small fractions of the impurities, the fusion products and the minority ions. Therefore the optimization of the fraction ratio between the fuel ions and other ion components is required. It takes into consideration the effect of the ion components on the heating mechanism, the power interchange between the plasma components and the power loss channels from the confinement volume. The conditions of transferring from minority heating regime to the mode conversion one is studied for the reactor relevant D-T experiments. Дополнительный нагрев плазмы, например, ВЧ-нагрев, позволяет нагревать только группу частиц топлива, которые будут инициировать термоядерную реакцию. Но сценарии ВЧ-нагрева чувствительны к малым фракциям примесей, продуктов реакции и ионов малой добавки. Поэтому требуется оптимизация процентного соотношения между ионами топлива и прочими ионами. Она должна принимать во внимание влияние ионных компонентов на механизмы нагрева, обмен энергией между компонентами плазмы и каналы ухода энергии из объёма удержания. Условия перехода от режима нагрева ионов малой добавки к режиму конверсии мод изучаются для перспективных экспериментов с дейтериево-тритиевой плазмой. Додаткове нагрівання плазми, наприклад, ВЧ-нагрівання, дозволяє нагрівати тільки групу частинок палива, які будуть ініціювати термоядерну реакцію. Але сценарії ВЧ-нагрівання є чутливими до малих фракцій домішок, продуктів реакції та іонів малої добавки. Тому є необхідність в оптимізації відсоткового співвідношення між іонами палива та іншими іонами. Оптимізація повинна приймати до уваги вплив іонних компонентів на механізми нагрівання, обмін енергією між компонентами плазми та канали втрати енергії з об’єму утримання. Умови переходу від режиму нагрівання іонів малої добавки до режиму конверсії мод вивчаються для перспективних експериментів з дейтерієво-тритієвою плазмою. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Нагрев плазмы и поддержание тока Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas Влияние ионов малой добавки на ВЧ-нагрев термоядерной плазмы Вплив іонів малої добавки на ВЧ-нагрівання термоядерної плазми Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas |
| spellingShingle |
Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas Pavlenko, I.V. Girka, I.O. Leviga, B.I. Нагрев плазмы и поддержание тока |
| title_short |
Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas |
| title_full |
Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas |
| title_fullStr |
Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas |
| title_full_unstemmed |
Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas |
| title_sort |
effect of the minority ions on the icrf heating of fusion plasmas |
| author |
Pavlenko, I.V. Girka, I.O. Leviga, B.I. |
| author_facet |
Pavlenko, I.V. Girka, I.O. Leviga, B.I. |
| topic |
Нагрев плазмы и поддержание тока |
| topic_facet |
Нагрев плазмы и поддержание тока |
| publishDate |
2012 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Влияние ионов малой добавки на ВЧ-нагрев термоядерной плазмы Вплив іонів малої добавки на ВЧ-нагрівання термоядерної плазми |
| description |
Additional plasma heating, for example ICRF (Ion Cyclotron Range of Frequencies) heating, allows heating only a group of the fuel particles which will initiate the thermonuclear fusion reaction. But the ICRF heating scenarios are sensitive to the small fractions of the impurities, the fusion products and the minority ions. Therefore the optimization of the fraction ratio between the fuel ions and other ion components is required. It takes into consideration the effect of the ion components on the heating mechanism, the power interchange between the plasma components and the power loss channels from the confinement volume. The conditions of transferring from minority heating regime to the mode conversion one is studied for the reactor relevant D-T experiments.
Дополнительный нагрев плазмы, например, ВЧ-нагрев, позволяет нагревать только группу частиц топлива, которые будут инициировать термоядерную реакцию. Но сценарии ВЧ-нагрева чувствительны к малым фракциям примесей, продуктов реакции и ионов малой добавки. Поэтому требуется оптимизация процентного соотношения между ионами топлива и прочими ионами. Она должна принимать во внимание влияние ионных компонентов на механизмы нагрева, обмен энергией между компонентами плазмы и каналы ухода энергии из объёма удержания. Условия перехода от режима нагрева ионов малой добавки к режиму конверсии мод изучаются для перспективных экспериментов с дейтериево-тритиевой плазмой.
Додаткове нагрівання плазми, наприклад, ВЧ-нагрівання, дозволяє нагрівати тільки групу частинок палива, які будуть ініціювати термоядерну реакцію. Але сценарії ВЧ-нагрівання є чутливими до малих фракцій домішок, продуктів реакції та іонів малої добавки. Тому є необхідність в оптимізації відсоткового співвідношення між іонами палива та іншими іонами. Оптимізація повинна приймати до уваги вплив іонних компонентів на механізми нагрівання, обмін енергією між компонентами плазми та канали втрати енергії з об’єму утримання. Умови переходу від режиму нагрівання іонів малої добавки до режиму конверсії мод вивчаються для перспективних експериментів з дейтерієво-тритієвою плазмою.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109097 |
| citation_txt |
Effect of the minority ions on the ICRF heating of fusion plasmas / I.V. Pavlenko, I.O. Girka, B.I. Leviga // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 43-45. — Бібліогр.: 8 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT pavlenkoiv effectoftheminorityionsontheicrfheatingoffusionplasmas AT girkaio effectoftheminorityionsontheicrfheatingoffusionplasmas AT levigabi effectoftheminorityionsontheicrfheatingoffusionplasmas AT pavlenkoiv vliânieionovmaloidobavkinavčnagrevtermoâdernoiplazmy AT girkaio vliânieionovmaloidobavkinavčnagrevtermoâdernoiplazmy AT levigabi vliânieionovmaloidobavkinavčnagrevtermoâdernoiplazmy AT pavlenkoiv vplivíonívmaloídobavkinavčnagrívannâtermoâdernoíplazmi AT girkaio vplivíonívmaloídobavkinavčnagrívannâtermoâdernoíplazmi AT levigabi vplivíonívmaloídobavkinavčnagrívannâtermoâdernoíplazmi |
| first_indexed |
2025-11-26T00:10:42Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:10:42Z |
| _version_ |
1850595332927258624 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 43
EFFECT OF THE MINORITY IONS ON THE ICRF HEATING OF
FUSION PLASMAS
I.V. Pavlenko, I.O. Girka, B.I. Leviga
V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, Ukraine
Additional plasma heating, for example ICRF (Ion Cyclotron Range of Frequencies) heating, allows heating only
a group of the fuel particles which will initiate the thermonuclear fusion reaction. But the ICRF heating scenarios
are sensitive to the small fractions of the impurities, the fusion products and the minority ions. Therefore the
optimization of the fraction ratio between the fuel ions and other ion components is required. It takes into
consideration the effect of the ion components on the heating mechanism, the power interchange between the
plasma components and the power loss channels from the confinement volume. The conditions of transferring from
minority heating regime to the mode conversion one is studied for the reactor relevant D-T experiments.
PACS: 52.50.Qt, 52.25.Os
INTRODUCTION
The tritium minority heating scenarios at ITER
could provide an effective triton heating by the fast
wave (FW) but the designed frequency range
(40…55 MHz) is out of the required relation between
the frequency and the magnetic field values. That is
why a main attention is paid to the ICRF heating
scenarios at second tritium harmonic and the minority
heating of deuterium or He3 (the hydrogen minority
heating is not accessible also). The fusion reaction rate
is largest for the D-T plasmas. Therefore the D-T
experiments are most promising for the reaction
ignition [1]. On the one hand the second harmonic
tritium heating scenarios provide mainly the heating
of the tritons from the tail of the distribution function.
They transfer partially the power to the electrons
through the collisions and leave partially the
confinement volume due to the large Larmor radius
orbits. It is observed at least for the experimental
conditions of the JET tokamak when the core ion
temperature is up to 10 keV. Thus the additional ICRF
heating contributes mainly to electron but not to ion
heating. On the other hand even the pure D-T
experiments contain at least about 0.1 % of He3 as a
result of the tritium radioactive decay. It provides
additionally the He3 minority heating (co-located with
the tritium second harmonic heating) even without the
external He3 injection [2, 3]. But the He3 injection
could be useful at initial stage of the D-T experiments
to reach core ion temperature enough high for the
effective ion heating at tritium second harmonic at
second stage. That is why the sensitivity of the D-T
experiments to the presence of He3 ions should be
studied carefully [4].
1. MINORITY HEATING AND MODE
CONVERSION
Usually the relation between the ICRF frequency
and magnetic field values in the JET D-T experiments
was chosen to locate the second harmonic of tritium
resonance in the plasma centre. For small
concentrations of D and He3 it provides almost the
central T/He3 heating and may be the deuterium
minority heating at high field side (see Fig. 1).
Without He3 minority there is one evanescence layer
for FW propagation near the plasma edge at high field
side (it will be called “second evanescence layer”). He3
injection introduces another evanescence layer near the
plasma center at high field side (it will be called “first
evanescence layer”). In the theory the FW reaching the
evanescence layer can be converted to the short
wavelength modes (Ion Bernstein Waves or Ion Cyclotron
Waves). But only the He3 minority heating is usually
observed for small concentrations of He3 (due to Doppler
broadening of the cyclotron layer and its partial
overlapping with the evanescence layer). In this case FW
power is well absorbed by the minority ions (good single
pass absorption) and does not reach the first evanescence
layer. Increasing the He3 concentration leads to shifting
first evanescence layer to high field side and makes this
layer wider. When fist evanescence layer is enough far
from the cyclotron resonance layer but its width is not too
large (to reflect back all coming power) there is a
possibility of partial conversion and transmission of the
FW power. The converted power can be absorbed
effectively by electrons providing additional local
electron heating. But the transmitted power can reach
second evanescence layer. And then again there are three
possible scenarios: a) if second evanescence layer is close
to deuterium cyclotron layer, all transmitted power is
absorbed by deuterons due to the minority heating (it is
dangerous for the antenna operating if powerful heating is
enough close to the edge); b) if second evanescence layer
is enough far from the deuterium cyclotron layer but is
enough narrow to convert part of coming FW power (a
source of additional edge heating which should be
avoided also); c) if second evanescence layer is enough
far from the deuterium cyclotron resonance and enough
wide to reflect mainly coming power (the reflected power
can enhance the mode conversion near first evanescence
layer). Here the recent developed theory [5] which is
related to the cases b) and c) will be applied to explain a
reason of possible additional local electron heating in
plasma core and additional edge heating in the D-T
experiments with He3 injection.
2. DEVELOPED HEATING SCENARIO
The main experimental values are taken from the JET
D-T fusion discharge #41735 to check a possibility of
transition from the minority heating regime to the mode
conversion one. The ratio of the fuel component
concentrations was D:T=10:90. The He3 concentration
before the ICRF heating stage was 4 % of the electron
44 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82)
density. The magnetic field was 3.4 T and the
operating frequency was 34 MHz. Central electron
density was 3.4·1013 cm-3. The central ion temperature
was not measured but it can be estimated as equal
approximately to the electron one (about 10 keV). The
ICRF antenna worked with the dipole phasing which
means the maximum of the antenna spectrum at the
toroidal mode number nφ=27 (it is about k||=6.75 m-1).
Fig. 1. FW dispersion curve in cold plasma
approximation for the experimental conditions of JET
discharge #41735. Positions of the cyclotron
resonance layers (D, He3) are shown
Lets start first from the FW dispersion curve in the
cold plasma approximation to give a picture of the
cyclotron and evanescence layer positions for the
experiment (see Fig. 1). The estimation of the He3
cyclotron resonance layer width gives about 7.5 cm
for the thermal particles. Therefore the dependence of
the evanescence layer width and its distance from the
cyclotron resonance on the He3 concentration is built
in Fig. 2. Surely the range of the concentration up to
4 % corresponds to pure minority heating regime
(there is not a hope that FW can reach first
evanescence layer). For the range 4…8 % there is a
competition between FW power amounts absorbed
near He3 cyclotron resonance and passed through it.
So, the FW mode conversion could be expected for
the He3 concentrations above 8%. It should be noted
that first evanescence layer width has a maximum at
such dependence (see Fig. 2).
Fig. 2. Dependences of the distances on the He3
concentration. Ranges of dominant minority heating
and possible mode conversion are shadowed
The mode conversion analysis is carried out
using: 1) Budden model [6] (allows estimating when
FW transferring through the evanescence layer is
essential and the mode conversion can be essential);
2) the triplet configuration model [7] (allows calculating
the fraction of the mode converted power when the
R-cutoff layer penetrates deeply into plasma from high
field side) and 3) the multiplied mode conversion layer
model [5] (allows calculating the mode conversion
efficiency for few evanescence layers in plasmas).
Fig. 3. Contour lines of the maximal possible mode
conversion coefficient C and position of the JET
experiment
Numerical analysis of the JET #41735 experimental
conditions shows that they correspond to the 3) mode
conversion model. Then the FW mode conversion
coefficient is defined from:
)2/(sin)T1)(T1(T4)TT1(TTC 2
2112121 Φ−−+−= , (1)
where Φ is a phase difference between the waves
reflected from first and second evanescence layers,
1eT1
πη−= and 2eT2
πη−= — the FW power
tunneling coefficients through first and second
evanescence layers respectively. Last are defined by the
tunneling factors η1 and η2:
∫ ⊥π
=η dx)x(k2
2,1 , (2)
where the integrals are taken over the range of the
corresponding evanescence layer (negative values of the
perpendicular wave number).
In such a way the maximal possible fraction of
the mode converted power is defined by formula:
)T1)(T1(T4)TT1(TTC 2112121max −−+−= . (3)
Fig. 3 shows the position of the JET experiment on the
contours of (3). But 4 % concentration of He3 is still good
minority heating condition to avoid an essential mode
converted fraction. That is why He3 fraction has to be
increased to 8 % (minimal required to avoid a perfect
single pass absorption due to minority heating) in the
numerical analysis. Such He3 concentration increasing
shifts the experimental condition to 2) mode conversion
model. Tunneling factor η1 reaches value 1.1. It
corresponds to the case when FW transmission is
negligible and most FW power is reflected back to the
antenna allowing the second pass absorption by He3. That
is why we propose to decrease the FW frequency to shift
the resonances on 40 cm to the low field side. The
experimental conditions become again corresponding to
3) mode conversion model which predicts up to 20 % of
mode converted power.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 45
Fig. 4. Radial distribution of the absorbed power for
the developed experimental scenario. Possible
contribution from the mode conversion is seen as
increased electron absorption
Last experimental conditions were simulated with
full wave code TORIC [8] to prove or disprove the
predictions of 3) mode conversion model. Fig. 4
presents the radial dependence of the power absorbed
by the different plasma species. Since TORIC operates
with the Maxwellian distribution functions the tritons
from the tail of the distribution function (a loss cone
of the first orbit losses) have been excluded from the
power balance analysis.
CONCLUSIONS
The reactor relevant T-D experimental conditions
were tested for transferring to the mode conversion
regime with increasing He3 concentration. There are
different analytical models of mode conversion but the
multiplied mode conversion layer model developed
for the case of few evanescence layers in plasmas
corresponds to the experimental conditions. It has
been used to predict the fraction and position of the
mode conversion. The prediction has been tested by the
full wave simulation of the scenario with the power
balance correction from Fokker-Planck simulations. The
results allow to hope that the developed model works in
the framework of its approximation.
REFERENCES
1. L.-G. Eriksson, M. Mantsinen, V.P. Bhatnagar, et al.
Theoretical Analysis of ICRF Heating in JET D-T
Plasmas // Nuclear Fusion. 1999, v. 39, p. 337-352.
2. D.F.H. Start, J. Jacquinot, V. Bergeaud, et al. Bulk Ion
Heating with ICRH in JET DT Plasmas // Nuclear
Fusion. 1999, v. 39, № 3, p. 321-336.
3. JET and TFTR teams, presented by D.F.H. Start. ICRF
Results in D-T Plasmas in JET and TFTR and
Implications for ITER // Plasma Physics and Controlled
Fusion. 1998, v. 40, № 8A, p. A87-A104.
4. Ye.O. Kazakov, V.G. Kiptily, S.E. Sharapov, et al.
Study of ICRH Scenarios for Thermal Ion Heating in JET
D–T Plasmas // Report EFDA–JET–PR(11)50. 2011,
JET-EFDA, Abingdon.
5. Ye.O. Kazakov, I.V. Pavlenko, D. Van Eester, et al.
Enhanced ICRF (Ion Cyclotron Range of Frequencies)
Mode Conversion Efficiency in Plasmas with Two Mode
Conversion Layers // Plasma Physics and Controlled
Fusion. 2010, v. 52, p. 115006.
6. K.G. Budden. The Propagation of Radio Waves.
Cambridge: Cambridge University Press, 1985.
7. V. Fuchs, A.K. Ram, S.D. Schultz, et al. Mode
Conversion and Electron Damping of the Fast Alfven
Wave in a Tokamak at the Ion-Ion Hybrid Frequency //
Physics of Plasmas. 1995, v. 2, p. 1637-1647.
8. M. Brambilla. Numerical Simulation of Ion Cyclotron
Waves in Tokamak Plasmas // Plasma Physics and
Controlled Fusion. 1999, v. 41, p. 1-34.
Article received 20.09.12
ВЛИЯНИЕ ИОНОВ МАЛОЙ ДОБАВКИ НА-ВЧ НАГРЕВ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
И.В. Павленко, И.А. Гирка, Б.И. Левига
Дополнительный нагрев плазмы, например, ВЧ-нагрев, позволяет нагревать только группу частиц
топлива, которые будут инициировать термоядерную реакцию. Но сценарии ВЧ-нагрева чувствительны к
малым фракциям примесей, продуктов реакции и ионов малой добавки. Поэтому требуется оптимизация
процентного соотношения между ионами топлива и прочими ионами. Она должна принимать во внимание
влияние ионных компонентов на механизмы нагрева, обмен энергией между компонентами плазмы и
каналы ухода энергии из объёма удержания. Условия перехода от режима нагрева ионов малой добавки к
режиму конверсии мод изучаются для перспективных экспериментов с дейтериево-тритиевой плазмой.
ВПЛИВ ІОНІВ МАЛОЇ ДОБАВКИ НА ВЧ-НАГРІВАННЯ ТЕРМОЯДЕРНОЇ ПЛАЗМИ
І.В. Павленко, І.О. Гірка, Б.І. Левіга
Додаткове нагрівання плазми, наприклад, ВЧ-нагрівання, дозволяє нагрівати тільки групу частинок
палива, які будуть ініціювати термоядерну реакцію. Але сценарії ВЧ-нагрівання є чутливими до малих
фракцій домішок, продуктів реакції та іонів малої добавки. Тому є необхідність в оптимізації відсоткового
співвідношення між іонами палива та іншими іонами. Оптимізація повинна приймати до уваги вплив іонних
компонентів на механізми нагрівання, обмін енергією між компонентами плазми та канали втрати енергії з
об’єму утримання. Умови переходу від режиму нагрівання іонів малої добавки до режиму конверсії мод
вивчаються для перспективних експериментів з дейтерієво-тритієвою плазмою.
|