ECR heating on the WEGA stellarator

Abstract

The plasma in the WEGA stellarator is generated and heated by Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH). The microwave is emitted from the low field side mid-plane with power of up to 6+20 kW and with a frequency of 2.45GHz (λ=12.45 cm). The low cut-off density of ncutoff=7.5×10¹⁶m⁻³ makes ECRH on the WEGA stellarator inefficient in both O-mode and X-mode regime. This was confirmed in the first experimental campaign by perpendicular launch of the microwave with a TE11 antenna. In these experiments only edge heating was observed. Density and temperature profiles were hollow [1]. For the over dense plasma heating, mode conversion into the electrostatic electron Bernstein waves (EBW) is required. Two schemes have been tested: the direct X-B (X-mode to Bernstein mode) conversion, where an X-wave must be launched perpendicular to the magnetic field into an over dense plasma with a steep density gradient. In these experiments the strong reflection of the microwave power at the cut-off layer prohibited efficient plasma heating. Another possibility is the O-X-B conversion scheme [2]. The methods of its achievement with different antennas are the subject of this paper.

Плазма у стеллараторі WEGA утворюється та нагрівається за допомогою НВЧ-нагріву на електронно- циклотронній частоті (ЕЦР). Ввід НВЧ-енергії здійснюється із зовнішнього боку тору у його екваторіальній площині, на частоті 2.45 ГГц (λ=12.45 см) та з максимальною потужністю до 26 кВт. Низька критична щільність плазми для цієї частоти (ncutoff=7.5×10¹⁶м⁻³ ) робить традиційний ЕЦР-нагрів неефективним, як у режимі «Звичайної» (З-хвиля), так і у режимі «Незвичайної» хвилі (Н-хвиля), що було підтверджено у ході першої експериментальної кампанії, коли НІЧ-енергія вводилась перпендикулярно силовим лініям магнітного поля за допомогою циліндричного ТЕ11 хвилеводу. У цих експериментах спостерігався нагрів периферичної плазми, профілі щільності та температури мали порожній характер [1]. Для нагріву плазми з щільністю вище щільності відсічки необхідна трансформація в електростатичну Бернштейн хвилю (ЕБХ). Два сценарії нагріву було випробувано на установці: перший з трансформацією Н-хвилі у ЕБХ, в цьому випадку Н-хвиля повинна бути введена перпендикулярно магнітному полю в плазму з щільністю, яка перевищує критичну. У цих експериментах сильне відбиття НВЧ-енергії у шарі відсічки перешкоджало ефективному нагріву плазми. У другому випадку використовується сценарій з подвійною конверсією спочатку З-хвилі у Н-хвилю з наступною трансформацією Н-хвилі в ЕБХ [2]. Методи реалізації такого сценарію і є темою цієї роботи.

Плазма в стеллараторе WEGA создается и нагревается при помощи СВЧ-нагрева на электронно- циклотронной частоте (ЭЦР). Ввод СВЧ-энергии производится с внешней стороны тора в его экваториальной плоскости на частоте 2.45 ГГц (λ=12.45 см) и с максимальной мощностью до 26 кВт. Низкая критическая плотность плазмы для данной частоты (ncutoff=7.5×10¹⁶м⁻³ ) делает традиционный ЭЦР-нагрев неэффективным, как в режиме «обыкновенной» (О-волна), так и в режиме «необыкновенной» волны (Н-волна), что было подтверждено в ходе первой экспериментальной кампании, когда СВЧ-энергия вводилась перпендикулярно силовым линиям магнитного поля при помощи цилиндрического ТЕ11 волновода. В этих экспериментах наблюдался нагрев периферийной плазмы, профили плотности и температуры имели полый характер [1]. Для нагрева плазмы с плотностью, выше плотности отсечки, необходима трансформация в электростатическую Бернштейн волну (ЭБВ). Два сценария нагрева были протестированы на установке: первый с непосредственной трансформацией Н-волны в ЭБВ, в этом случае Н-волна должна быть запущена перпендикулярно магнитному полю в плазму с плотностью, превышающей критическую. В этих экспериментах сильное отражение СВЧ- энергии в слое отсечки препятствовало эффективному нагреву плазмы. Во втором случае используется сценарий с двойной конверсией сначала О-волны в Н-волну с последующим превращением Н-волны в ЭБВ[2]. Методы реализации такого сценария и есть тема настоящей работы.