Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому исслелованив я іменному моделирс вакию динамики плазмы в Z-пинчах. Особенное -змание уделено изучению процессов, приводящих к появлению лсокотемпгратурнси плазмы а этих системах и возможностям зеличения параметров плазмы. В результате исследований получена звольно полная ішутренне нзпротазоречизая картина динамики ізряда э Z-пинчах начиная с прсбся газа в камере до разрушения асскстемпературных областей плазмы в них.
Лхтуальность проблемы- Перспектива решения проблемы травляемсго термоядерного синтеза (УТС) з значительной мере 5уславливает тот повышенный интерес, который проявляется к :следованиям в области физики высокотемпературной плазмы. Эта грспектива породила много направления исследований, отличашихся у/г от друга методами нагрева и удержания плазмы. Наиболее «двинутыми в настоящее время являются термоядерные системы с 1ГЯИ7НЫМ удержанием типа "токамах", а таюке с инерционным іержанием на основе электронных а лазерных пучков. Одновременно LK у нас в стране, так и за рубежом разрабатываются іьтернативньіе подходы, которые могут иметь определенные «имущества перед системами, рассматриваемыми в настоящее время в
качестве прообразов,, термоядерного реактора. Одной из альтернативньа систем, являются z-пинчи, в которых образуется плотная (Н#. - I021- Ю23см~3) высокотемпературная (выше 1 кэВ) плазма.
Первые работы по х-шшчу с целью решения проблемы УТС были опубликованы в 1956. году. Z-пинчи оказались. первыми плазменньми системами, в которых получено нейтронное излучение в результате слияния ядер дейтерия. На протяжении сорока лет экспериментальных исследований в них было обнаружено много новых явлений: инерционный характер разряда. МГД-неустоичивость плазменного столба. нейтронное в рентгеновское излучения, поток высокоэнергичных частиц, волокнистая структура свечения оболочки, призлектродное скольжение разряда, образование ионов высокой кратности ионизации.
- Вместе с тем. являясь интересным явлением в экспериментальном плане, 2-пинч оказался "неудобным" для теоретического исследования. Сложность теоретического анализа z-шшча" в первую очередь связана с большим количеством явлений, солрозождахвшх разряд, ярко. выраженной нестационарностью процессов в нем и нелинейностью уравнений, описываицкх их. В результате многие из наблюдаемых а г-пинчах явлений слабо изучены до сиг пор. Это в значительной мере сдерживает общее понимание физики процессов, имевших место 'в z-пинчах к их применение. В настоянеє время считается, что z-пинчи магут. быть использованы в качестве точечных источников когрентного и некогерентного ультрафиолетового. мягкого и жесткого рентгеновского излучений, источников быстрых Еысокоионизозанных
ионов, нейтронного источника для технологических йелей. Все эти применения, а также возможность использования z-пннчей для решения проблемы УТС, связаны с задачей исследования образования и динамики высокотемпературной плазмы в этих системах.
Цель и задачи работы. Основной целью данной работы является теоретическое изучение динамики развития разряда в z-пинчах я анализ явлений, приводящих к образованию высокотемпературной плазмы. Вторая цель данной работы состоит в создании моделей, описывающих основные стадии z-пинча. Эти модели в дальнейшем должны служить для прогнозирования динамики z-пинча на более крупные установки и нахождении путей увеличения параметров высокотемпературной плазмы в них.
Научная новизна работы заключается в том, что Впервые
разработана и реализована численная модель z-пинча в трехжидкостном приближении (ионы, электроны и агбмы),
разработана разностная схема для решения уравнений, описывающих двумерное движение плазменной оболочки пинча в модели полного сгребания газа,
разработан механизм генерации нейтроного излучения в z-пинчах из-за повышения температуры плазмы в перетяжках пинча до термоядерных значений,
смоделировано нелинейное развитие коротковолновых возмущений плазменного столба пинча в рамках идеальной двумерной МГД-мо-дели, '..-. ..-_..'
проанализировано' радиационное сжатие z-пинча при наличии МГД-неустойчивосги с модой 1=0,
сделан вывод об уменьшении термоядерного Нейтроннэг выхода е z-пинчах при увеличении яюулева тепловыделения в плазм пинча, и сделан зьвод о повышении параметра удержания плазмы высокотемпературных областях из-за потере энергии на излучение.
проанализирована динамика высокотемпературной плазмы михропинчевой области вакуумной искры.
- проанализировано инициирование волны термоядерного горели перетяжкой 2-пинча к смоделировано распространение этой воляь вдоль пинча.
Научная и практическая ценность работы
1. Динамика г-пинча проанализирована от начальной стадии
(лробои газа в камере) дс конечной (исчезновение плазмы с высокой
плотностью) на новом теоретическом уровне с широким применением численных мвтодое к учетом процессов, которые влияют на динамику z-пинча, но ранее не Сыпи учтены. Эти исследования дают рекомендации для организации разряда и согласования его с разрядным контуром.
-
Выявлена возможность образования в z-пинчах высокотемпературной плазмы на стадии его МГД-разрушения. Проведенный теоретический анализ термоядерного механизма на стадии МГЛ-разрушения плазменного столба z-пинча позволил дать рекомендации по увеличению термоядерного нейтронного выхода в z-пинчах.
-
Найдена возможность увеличения параметров плазмы за счет потерь энергии на излучение, что стимулировало развитие теоретических и экспериментальных работ по изучению радиационного
сжатия 2-пинча. Это явление в настоящее время используется для
оэдания импульсных источников ультрафіолетового и мягкого ентгеновского излучений, а гакхе для г-пинчевых установок, редназначенных для получения ионов большой кратности ионизации.
4. Проведенный анализ инициации волны термоядерного горения еретяжкой г-пинча указывает пути создания на основа z-пинча нергетачески выгодного импульсного термоядерного устройства.
Автор выносят на мшит? следушие результаты работы:
1. Результаты теоретического исследования и численного
оделирования динаники плазменной оболочки з модных импульсшх
азрядах в рамках 3*-жидкостного крмиблихения.
-
Метод численного моделирования я результаты двумерного вижения плазменной оболочка г-гинча в рамках одномерной модели одного сгребания газа.
-
Результаты моделирования проникновения магнитного поля дать электрода за счет эффекта Холла.
-
Еывод об образовании в однородном плазменном столбе -пикча локальных сгустков высокотемпературной плазмы (выше I эв) в процессе развития МГД-неустойчивости плазменного столба.
-
Результаты двумерного моделирования нелинейного развития эротковолновых возмущений плазменного столба пинча.
в. формулу для определения термоядерного нейтронного выхода -пинча в условиях сильной МГД-неустойчивости и при отсутствии роводящего газа вне плазменного столба.
7. Результаты оптимизации г-пинча с налью получения максимума зрмоядерного нейтронного выхода, условия согласования внешнего знтура і параметров разрядной камеры с динамикой z-шнчевого
разряда.
8. Вывод об увеличении параметров удержания плазмы в
высокотемперетурных областях с повышением потерь энергии на
излучение.
9. Результаты теоретических исследовании радиационного сжатия
плазмы в вакуумной искре.
10- Результаты численного моделирования распространения волны термоядерного горения вдоль пинча.
Апробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на конференции МАГАТЭ по физике плазмы и УТС в 1976 г.. на Европейских конференциях по физике плазмы и УТС в 1981, 1986 и .1993 г. г., на Международных совещаниях по плазменному фокусу и z-пинчам в 1981 и 1985 г. г., на всесоюзных конференциях по плазменным ускорителям и ионным инжекторам з 1976 и 1978 г.г., на международной конференции по плотным z-пинчам в 1992 г., на международных совещаниях по двумерному моделированию детонации в г.пинчах в 1993 г. (Прага),-1Э94 г. (Варшава), 1995 г. (Феррара), на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС в Звенигороде в 1978, 1983, 1986 и 1987. г. г.. а также опубликованы в журналах ІТФ. письма в ЖЭТФ, ІМГФ, Сизяка плазмы. ТВТ, ДАН. Huclear Fusloa, Physics Letters і в виде препринтов ИАЗ.
Объем работы.' Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений. Она содержит страниц, рисунков и библиографию из наименований.
