Введение к работе
Актуальность работы. Развитие направления открытых магнитных вушек для удержания плазмы привело в конце 70-х годов к появле-ю ряда предложений по улучшению характерпстиек этих систем. Это ло связано с осознанием того, что классический пробкотрон Будкера-іста, даже в отсутствие аномальных механизмов рассеяния ионов, не жет обеспечить коэффициент усиления Q больше 1.3-1.5. Появивши-[ новые схемы открытых ловушек (центробежная, с обращением поля, биполярная и др.) позволяют, в принципе, достичь Q ^»1. Вместе с тем, и значительно более сложны в технической реализации и основываются более "тонкой" физике, до сих лор надежно не проверенной.
В 1976 году в Институте ядерной физики им.Г.И.Будкера В.В. фновым и Д.Д.Рютовым была предложена схема т.н. газодинамиче-ш ловушки, которая при сохранении технической простоты системы, еет более надежную физику продольного удержания по сравнению с эбкотроном Будкера-Поста и другими известными типами предложен-х позже открытых ловушек.
Газодинамическая ловушка (ГДЛ) представляет собой длинный ак-шьно-симметричный пробкотрон с большим пробочным отношением , ^>1 и длиной, превышающей длину рассеяния ионов в конус потерь
X > А« 1п(Дт)/Д,„.
и выполнении этого неравенства всюду внутри ловушки, за исключе-;м коротких областей вблизи магнитных пробок, устанавливается изо->пное максвелловское распределение ионов. Вытекание плазмы через
пробки происходит в этом случае со скоростью порядка ионно-звуково что дает оценку для времени жизни плазмы в такой ловушке
г ~ L х Я/ил.
В отличие от пробкотрона с бесстолкновительной плазмой, для которо т ~ тц In Rm, время жизни в ГДЛ прямо пропорционально длине ловуші и пробочному отношению. Делая эти величины большими, можно пол чить достаточно большие времена жизни плазмы, в том числе приемл мые и для реактора.
Газодинамическая ловушка имеет ряд довольно существенных дост инств: Во-первых, увеличение скорости рассеяния ионов по сравнению кулоновской не приводит к заметному увеличению скорости продольнь потерь. В каком-то смысле, в ГДЛ скорость продольных потерь плазм максимально возможная. Во-вторых, наиболее опасные для удержані быстрые МГД-неустойчивости могут быть стабилизированы в рамк аксиально-симметричной геометрии магнитного поля. Это обстоятел ство связано с тем, что давление и плотность плазмы в запробочных обл стях, в отличие от обычного пробкотрона, не пренебрежимо мало по ера нению с их значениями в центре ловушки. Делая кривизну силовых лині в этих областях благоприятной и достаточно большой, оказывается в< можным выполнить условия стабилизации наиболее опасных желобкові мод. В-третьих, аксиальная симметрия магнитного поля ловушки, явл ясь сама по себе существенным техническим преимуществом, исключа проявление "неоклассических" эффектов, связанных с невложенносп дрейфовых оболочек ионов. В экспериментах на амбиполярных лову] ках было показано, что эти эффекты могут приводить к значительна возрастанию поперечного переноса.
Перспективы создания на основе ГДЛ термоядерного реактора в в стоящее время не вполне ясны. Оценки требуемой длины такого реакто с магнитным полем в пробках ~30 Т (что соответствует достигнуто; уровню развития техники сверхпроводников) дают величину 3-5км * лометров при мощности систем нагрева несколько Гигаватт. Эти вег чины кажутся неоправданно большими, однако следует напомнить, ч основной объем составляют простые аксиально-симметричные катушк полем 1.0-1.5 Т и что дальнейший прогресс в увеличении полей теплі сверхпроводников до величины 40-50 Т может существенно увеличи конкурентоспособность газодинамической ловушки-реактора.
Очень важным возможным применением газодинамической ловуш является создание на ее основе источника 14Мэв нейтронов для испы: ний материалов и других приложений. Наиболее подходящим для этх
іляется вариант ГДЛ с многокомпонентной плазмой, которая создается ловушке при инжекции в относительно холодную, с температурой ~ кэВ, мишенную плазму под небольшим углом (~ 20 — 30") к оси ато-фных пучков дейтерия и трития с энергией ~100 кэВ и угловым раз-юсом ~ 1". При этом в ловушке образуется популяция быстрых ионов, вершающих продольные колебания между точками остановки. Вслед-вие относительно низкой температуры мишенной плазмы, торможение і ней быстрых ионов идет гораздо быстрее чем рассеяние. Таким обра-м, ширина углового распределения ионов в процессе торможения оста-ся достаточно узкой, не слишком сильно отличающейся от начальной, этом случае, вблизи точек остановки плотность быстрых ионов значи-льно больше, чем в центре ловушки. В этих областях поток нейтронов -Т-реакции может достигать нескольких Мвт/т2, что соответствует ловиям работы первой стенки токамака-реактора.
Существенное достоинство нейтронного генератора на основе ГДЛ со-оит в том, что в нем достижимы Р ~ 1, что позволяет создать от-їсительно компактную установку с малой потребляемой мощностью и исходом трития. Необходимость создания такого источника для ускорен-то испытания материалов и узлов будущего термоядерного реактора-ікамака в настоящее время общепризнанна.
Основу настоящей работы составляют результаты по исследованию ГД-устойчивости и энергобаланса плазмы в экспериментальной модели зодинамической ловушки в Институте ядерной физики им.Г.И.Будкера ЭРАН.
Цель работы состояла:.
в экспериментальной проверке механизма стабилизации МГД-неус-тойчивости потоком вытекающей из ловушки плазмы;
определении границ МГД-устойчивого удержания плазмы по различным параметрам;
изучении МГД-устойчивости двухкомпонентной плазмы с быстрыми ионами при инжекции мощных атомарных пучков в ГДЛ;
исследовании баланса частиц и энергии одно- и двухкомпонентной плазмы (при пучковом нагреве) в устойчивых и неустойчивых режимах удержания;
выявлении возможных аномалий в скорости рассеяния быстрых ионов в результате развития микронеустойчивостей.
Научная новизна.
В работе впервые экспериментально изучена стабилизация жело ковой неустойчивости в аксиально-симметричной открытой магнит» ловушке потоком вытекающего через пробки плазмы. Исследованы пр делы устойчивости в зависимости от пробочного отношения, кривизн силовых линий магнитного поля в центральной части ловушки и в э пробочных областях-расширителях.
Детально изучены характеристики неустойчивых колебаний, разв вающихся при нарушении интегрального критерия устойчивости. В хо выполнения работы впервые, путем изменения характеристик удержиЕ ющего магнитного поля и плазмы, удалось проследить изменение спе тра неустойчивых желобковых возмущений от режима, когда неустойч выми являются азимутальные гармоники в широком спектре, до факт: чески одномодового режима, когда неустойчива только первая гармони т = І.-Результаты этих измерений хорошо согласуются с теорией, уч тывающей эффекты конечного ларморовского радиуса ионов и влиян ограничивающих плазму по радиусу проводящих лимитеров.
Разработан источник плазмы для заполнения экспериментальн установки. Определен оптимальный сценарий и разработаны необход мые тех. средства для проведения распадного эксперимента, что позі лило провести эксперименты по исследованию МГД-устойчивости и і греву плазмы в ГДЛ с помощью мощной атомарной инжекции (15 кэ 3.5-4 МВт, длительность — 0.25-1 мс).
Разработан пакет программ для расчета параметров плазмы при і греве атомарными пучками и обработки полученных зкспериментальні данных.
Исследовано несколько типов МГД-стабилизаторов: расширитель антипробкотрон (касп).
Исследован баланс частиц и энергии в ловушке в режимах с дополг тельным нагревом и без него. Показано, что энергобаланс быстрых і нов, образовавшихся в ловушке при инжекции атомарных пучков, оп] деляется перезарядкой на остаточном газе и торможением на элект] нах основной плазмы. Изучение их угловых характеристик показало, ч скорость углового рассеяния очень близка к классической, определяем ион-ионными столкновениями. Заметного влияния микрофлуктуаций, і торые могли бы возбуждаться вследстве развития неустойчивостей і пуляцйи высокоэнергичных ионов, на ширину углового распределения наблюдалось.
При изучении энергобаланса основной плазмы в устойчивых ре» мах удержания показано, что доминирующим каналом потерь являет
лтекание плазмы через пробки. Время жизни в этом случае оказывайся много больше времени остывания из-за продольной электронной те-топроводности без учета теплоизолирующих свойств расширителей. В ^устойчивых режимах удержания время жизни близко к времени осты-шия, определяющимся указанным механизмом.
Изучены режимы течения плазмы в расширителе. При низких элек-эонных температурах (2-5 эВ), характерных для режимов без нагрева гомарной иижекцией, параметры течения заметно отличаются от пред-;азываемых адиабатической и изотермической моделями. В режимах с ігревом в исследованном диапазоне температур характеристики тече-ІЯ близки к вычисленным для адиабатического режима течения.
В результате оптимизации системы атомарной инжекцин с увеличе-іем длительности импульса с 0.25 до 1.2 мс (что составляет несколько эемен истечения нагретой плазмы из ловушки), модернизации вакуум-эй системы установки и применения преимущественно бесконтактных етодов диагностики, удалось достичь параметров плазмы при нагреве, тизких к расчетным при учете только классических механизмов потерь, ри инжекции б атомарных пучков с энергией 14-15 кэВ, суммарной ощностью до 3.5 МВт, получена температура электронов ~50 эВ (рас-2Т дает величину ~60 эВ). Плотность быстрых ионов в точках остатки составляла при этом ~ 3 х 1012см_3, а величина суммарного /? чазмы ~ 10%.
Разработай ряд диагностик для исследования плазмы в газодинами-гской ловушке, в том числе предложен и экспериментально опробован етод измерений профиля плотности плазмы по измерению интенсивно-ги излучения линии На частиц инжектируемого атомарного пучка.
Научная ценность работы.
В работе изучена стабилизация МГД-неустойчивости в аксиально-імметричной магнитной ловушке потоком вытекающей через пробки іазмьг. Исследованы границы устойчивости и характеристики возму-ений, развивающихся при переходе в неустойчивый режим удержания, олученные экспериментальные результаты убедительно подтверждают лводы теории МГД-устойчивости с учетом эффектов конечного лар-оровского радиуса ионов и влияния течения плазмы вдоль магнитного >ля в запробочных областях.
Измерение энергобаланса плазмы в устойчивых режимах удержания жазали, что доминирующими каналами потерь энергии популяции бы-:рых инжектируемых ионов являются перезарядка и торможение на гектронах основной плазмы, а из основной плазмы — столкновительные
потери через пробки. Эти данные, полученные при умеренных парам* трах плазмы (Те < 50 эВ, щ < 3 х 1012см-3), чрезвычайно важны дл создания мощного нейтронного генератора на основе газодинамическо ловушки. Разработанные методы создания плазмы в ГДЛ, контроля раї новесия плазменного шнура, многие специфические диагностики так» представляют интерес для использования в нейтронном генераторе, также для других перспективных типов открытых ловушек, наприме амбиполярных.
Апробация диссертации.
Основные результаты работы докладовались и обсуждались на Me» дународных конференциях по физике плазмы и УТС в Киото (1986г Ницце (1988) и Вашингтоне (1990), Международной школе в Варенн (Италия) в 1987 и 1990 годах, на международных конференциях по явл« ниям в ионизованных газах в Белграде в 1989 году и Бохуме в 199i на ежегодной конференции отделения физики плазмы американского фг зического общества в Сант-Луисе в 1993г., на Российско-Американско; рабочем совещании по применению открытых ловушек в термоядерны исследованиях в Ливер море в 1993г., на Международной конференции п открытым магнитным ловушкам в Новосибирске в 1993г, а также и Всесоюзном Совещании по открытым ловушкам в Москве в 1979г. и н Звенигородских конференциях в 1986-1992 годах.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Текс диссертации содержит 155 страниц, 63 рисунка и 6 таблиц.
