Absorption of Microwaves During Plasma Heating at the Second Harmonic of Electron Cyclotron Resonance in Tokamaks and Stellarators: Linear Theory and Experiment

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We study the microwave absorption during electron cyclotron resonance heating (ECRH) by the extraordinary wave at second harmonic (X2 mode) in the T-10 tokamak and TJ-II stellarator in a wide range of plasma densities, and compare experiments with the classical formulas for the absorption of the injected ECR power. Empirical relations for the absorption efficiency and for the critical plasma density ncr">ncr, which separates the regions with full and partial absorption of the injected ECR power, are obtained using the numerical simulation of the heat transport with the transport model of canonical profiles. It is shown that in both devices, the range of densities exists, where the absorption predicted by the classical formulas is almost full, while according with the empirical formula, only a small fraction of the power is absorbed. The obtained relations allow ones to optimize the conditions of ECRH in toroidal systems for magnetic plasma confinement.

About the authors

Yu. N. Dnestrovskiy

National Research Center Kurchatov Institute

Email: melnikov_AV@nrcki.ru
123182, Moscow, Russia

A. V. Mel'nikov

National Research Center Kurchatov Institute;National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute);Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: melnikov_av@nrcki.ru
123182, Moscow, Russia;115409, Moscow, Russia;141701, Dolgoprudnyi, Moscow region, Russia

V. F. Andreev

National Research Center Kurchatov Institute

Email: melnikov_AV@nrcki.ru
123182, Moscow, Russia

S. E. Lysenko

National Research Center Kurchatov Institute

Email: melnikov_AV@nrcki.ru
123182, Moscow, Russia

M. R. Nurgaliev

National Research Center Kurchatov Institute

Email: melnikov_AV@nrcki.ru
123182, Moscow, Russia

A. G. Shalashov

Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: melnikov_AV@nrcki.ru
603000, Nizhny Novgorod, Russia

References

  1. Б. А. Трубников, Электромагнитные волны в релятивистской плазме при наличии магнитного поля, в сб. Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, ред. М. А. Леонтович, АН СССР, М. (1958), т. 3, с. 104
  2. B. A. Trubnikov, in Plasma Physics and the Problem of Controlled Thermonuclear Reactions, ed. by M. A. Leontovich, Pergamon, London (1960), v. 4, p. 363.
  3. Ю. Н. Днестровский, Д. П. Костомаров, Н. В. Скрыдлов, ЖТФ 33, 922 (1963)
  4. Y. N. Dnestrovskii, D. P. Kostomarov, and N. V. Skrydlov, Sov. Phys.-Tech. Phys. 8, 691 (1964).
  5. I. P. Shkarofsky, Phys. Fluids 9, 570 (1966); https://doi.org/10.1063/1.1761711.
  6. M. Bornatichi, Plasma Physics 24(6), 629 (1982); doi: 10.1088/0032-1028/24/6/005.
  7. M. Bornatichi, R. Cano, O. De Barbier, and F. Engelman, Nucl. Fusion 23(9), 1153 (1983); doi: 10.1088/0029-5515/23/9/005.
  8. В. В. Аликаев, Е. В. Суворов, А. Г. Литвак, А. А. Фрайман, Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах, в кн. Высокочастотный нагрев плазмы, ИПФ АН СССР, Горький (1983), с. 6
  9. V. V. Alikaev, A. G. Litvak, E. V. Suvorov, and A. A. Fraiman, Electron cyclotron resonance heating of toroidal plasmas, in High- Frequency Plasma Heating, ed. by A. G. Litvak, American Institute of Physics, N.Y. (1992), p. 1; https://link.springer.com/book/9780883187654.
  10. R. Prater, Phys. Plasmas 11, 2349 (2004); doi: 10.1063/1.1690762.
  11. G. Giruzzi, Nucl. Fusion 28, 1413 (1988); doi: 10.1088/0029-5515/28/8/009.
  12. А. Г. Шалашов, Е. В. Суворов, Физика плазмы 28(1), 51 (2002)
  13. A. G. Shalashov and E. V. Suvorov, Plasma Phys. Rep. 28, 46 (2002); https://doi.org/10.1134/1.1434295.
  14. A. G. Shalashov and E. V. Suvorov, Plasma Phys. Control. Fusion 45, 1779 (2003); https://doi.org/10.1088/0741-3335/45/9/314.
  15. Е. З. Гусаков, А. Ю. Попов, УФН 190, 396 (2020)
  16. E. Z. Gusakov and A. Yu. Popov, Phys.-Uspekhi 63, 365 (2020); doi: 10.3367/UFNe.2019.05.038572.
  17. Е. З. Гусаков, А. Ю. Попов, ЖЭТФ 154, 179 (2018)
  18. E. Z. Gusakov and A. Yu. Popov, JETP 127, 155 (2018]; https://doi.org/10.1134/S1063776118070063.
  19. Е. З. Гусаков, А. Ю. Попов, Письма в ЖЭТФ 109, 723 (2019)
  20. E. Z. Gusakov and A. Yu. Popov, JETP Lett. 109, 689 (2019); https://link.springer.com/article/10.1134/S0021364019110080.
  21. A. V. Melnikov, L. I. Krupnik, E. Ascasibar et al. (Collaboration), Plasma Phys. Control. Fusion 60, 084008 (2018); doi.org/10.1088/1361-6587/aac97f.
  22. А. В. Мельников, В. А. Вершков, C. А. Грашин, М. А. Драбинский, Л. Г. Елисеев, И. А. Земцов, В. А. Крупин, В. П. Лахин, С. Е. Лысенко, А. Р. Немец, М. Р. Нургалиев, Н. К. Харчев, Ф. О. Хабанов, Д. А. Шелухин, Письма в ЖЭТФ 115, 360 (2022)
  23. A. V. Melnikov, V. A. Vershkov, S. A. Grashin, M. A. Drabinskij, L. G. Eliseev, I. A. Zemtsov, V. A. Krupin, V. P. Lakhin, S. E. Lysenko, A. R. Nemets, M. R. Nurgaliev, N. K. Khartchev, P. O. Khabanov, and D. A. Shelukhin, JETP Lett. 115, 324 (2022); doi: 10.1134/S0021364022200279; http://jetpletters.ru/ps/2369/article_35068.shtml.
  24. Г. А. Саранча, Л. Г. Елисеев, А. В. Мельников, Ф. О. Хабанов, Н. К. Харчев, Письма в ЖЭТФ 116, 96 (2022)
  25. G. A. Sarancha, L. G. Eliseev, Ph. O. Khabanov, N. K. Kharchev, and A. V. Melnikov, JETP Lett. 116, 98 (2022)]; https://link.springer.com/article/10.1134/S0021364022601178.
  26. Ю. Н. Днестровский, В. А. Вершков, А. В. Данилов, А. Ю. Днестровский, С. Е. Лысенко, А. В. Мельников, Г. Ф. Субботин, Д. Ю. Сычугов, С. В. Черкасов, Д. А. Шелухин, Физика плазмы 45, 207 (2019)
  27. Y. N. Dnestrovskij, V. A. Vershkov, A. V. Danilov, A. Yu. Dnestrovskij, S. E. Lysenko, A. V. Melnikov, G. F. Subbotin, D. Yu. Sychugov, S. V. Cherkasov, and D. A. Shelukhin, Plasma Phys. Reports 45, 226 (2019); doi: 10.1134/S1063780X19020053.
  28. Ю. Н. Днестровский, А. В. Данилов, А. Ю. Днестровский, Л. А. Ключников, С. Е. Лысенко, А. В. Мельников, А. Р. Немец, М. Р. Нургалиев, Г. Ф. Субботин, Н. А. Соловьев, А. В. Сушков, Д. Ю. Сычугов, С. В. Черкасов, Физика плазмы 46, 387 (2020)
  29. Yu. N. Dnestrovskij, A. V. Danilov, A. Yu. Dnestrovskij, L. A. Klyuchnikov, S. E. Lysenko, A. V. Melnikov, A. R. Nemets, M. R. Nurgaliev, G. F. Subbotin, N. A. Soloviev, A. V. Sushkov, D. Yu. Sychugov, and S. V. Cherkasov, Plasma Phys. Reports 46, 477 (2020); doi: 10.1134/S1063780X20050037.
  30. Yu. N. Dnestrovskij, A. V. Danilov, A. Yu. Dnestrovskij, S. E. Lysenko, A. V. Melnikov, A. R. Nemets, M. R. Nurgaliev, G. F. Subbotin, N. A. Solovev, D. Yu. Sychugov, and S. V. Cherkasov, Plasma Phys. Control. Fusion 63, 055012 (2021); https://doi.org/10.1088/1361-6587/abdc9b.
  31. Ю. Н. Днестровский, А. В. Данилов, А. Ю. Днестровский, С. Е. Лысенко, А. В. Мельников, А. Р. Немец, М. Р. Нургалиев, Г. Ф. Субботин, Н. А. Соловьев, Д. Ю. Сычугов, С. В. Черкасов, ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез 45(1), 9 (2022)
  32. Yu. N. Dnestrovskij, A. V. Danilov, A. Yu. Dnestrovskij, S. E. Lysenko, A. V. Melnikov, A. R. Nemets, M. R. Nurgaliev, G. F. Subbotin, N. A. Soloviev, D. Yu. Sychugov, and S. V. Cherkasov, Physics of Atomic Nuclei 85(1), S34 (2022); doi: 10.1134/S1063778822130051.
  33. Yu. N. Dnestrovskij, A. V. Melnikov, D. Lopez-Bruna, A. Yu. Dnestrovskij, S. V. Cherkasov, A. V. Danilov, L. G. Eliseev, F. O. Khabanov, S. E. Lysenko, and D. Yu. Sychugov, Plasma Phys. Control. Fusion 65, 015011 (2023)]; doi: 10.1088/1361-6587/aca35a.
  34. В. В. Аликаев, А. А. Багдасаров, Н. Л. Васин, Ю. Н. Днестровский, Ю. В. Есипчук, А. Я. Кислов, Г. Е. Ноткин, К. А. Разумова, В. С. Стрелков, К. Н. Тарасян, Физика плазмы 14, 1027 (1988)
  35. V. V. Alikaev, A. A. Bagdasarov, N. L. Vasin, Yu. N. Dnestrovskij, Yu. V. Esipchuk, A. Ya. Kislov, G. E. Notkin, K. A. Razumova, V. S. Strelkov, and K. N. Tarasyan, Plasma Phys. Rep. 14, 601 (1988).
  36. C.C. Petty and the DIII-D Team, Nucl. Fusion 59, 112002 (2019); doi: 10.1088/1741-4326/ab024a.
  37. U. Stroth, J. Adamek, L. Aho-Mantila et al. (Collaboration), Nucl. Fusion 53, 104003 (2013); doi: 10.1088/0029-5515/53/10/104003.
  38. J. W. Liu, Q. Zang, Y. Liang, et al. (Collaboration), Nucl. Fusion 63, 016011 (2023); doi: 10.1088/1741-4326/aca168.
  39. A. V. Melnikov, A. V. Sushkov, A. M. Belov et al. (Collaboration), Fusion Eng. Design 96-97, 306 (2015); http://dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.06.080.
  40. J. Ongena, A. M. Messiaen, A. V. Melnikov, R. Ragona, Ye. O. Kazakov, D. van Eester, Yu. N. Dnestrovskii, P. P. Khvostenko, I. N. Roy, and A. N. Romannikov, Fusion Eng. Design 146A, 787 (2019); https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.01.080.
  41. A. V. Melnikov, J. Ongena, A. M. Messiaen, R. Ragona, A. V. Sushkov, Ye. O. Kazakov, D. van Eester, Yu. N. Dnestrovskii, P. P. Khvostenko, and I. N. Roy, AIP Conf. Proc. 2254, 070007 (2020); https://doi.org/10.1063/5.0014265.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Российская академия наук