Удержание двухкомпонентной плазмы с высоким β в газодинамической ловушке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, доктор физико-математических наук Багрянский, Петр Андреевич

• Багрянский, Петр Андреевич
• доктор физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Багрянский, Петр Андреевич

Введение

1 Установка ГДЛ и результаты ее модернизации

1.1 Краткое описание установки и типичного «сценария» эксперимента

1.2 Магнитная система.

1.3 Вакуумная система.

1.4 Система атомарной инжекции.

1.5 Система автоматизации управления и сбора данных.

1.6 Диагностики.

2 Продольное удержание частиц и энергии в газодинамической ловушке

2.1 Описание эксперимента и диагностик.

2.2 Результаты эксперимента.

2.3 Обсуждение результатов.

3 Влияние свойств первой стенки на перенос нейтральных частиц

3.1 Вакуумная система (подробное описание)

Первая стенка

Электродуговые испарители титана.

Подготовка первой стенки и создание вакуумных условий.

Система контроля вакуумных условий и основные диагностики

3.2 Код для моделирования динамики нейтрального газа.

Краткое описание кода.

Результаты расчетов при помощи кода TUBE.

3.3 Сравнение результатов измерений и расчетов.

4 Исследование релаксации и удержания быстрых ионов

4.1 Изучение кинетики торможения и углового рассеяния быстрых ионов

Описание эксперимента и типичных параметров плазмы.

Диагностики.

Расчеты параметров популяции быстрых ионов.

Результаты исследований удержания быстрых ионов.

4.2 Измерения пространственных распределений интенсивности термоядерных реакций при инжекции дейтериевых пучков.

Счетчик продуктов D-D реакции.

Измерения и их результаты

5 Энергетический и материальный баланс двухкомпонентной плазмы

5.1 Изучение баланса энергии двухкомпонентной плазмы в режимах с высоким значением /3.

Методика анализа энергобаланса и использованные диагностики

Удержание двухкомпонентной плазмы

5.2 Эксперименты по поддержанию баланса частиц мишенной плазмы

Опыты с газовой коробкой и периферийной инжекцией газа.

Опыты с приосевым поддувом.

6 МГД - устойчивость двухкомпонентной плазмы высокого давления

6.1 Предварительные замечания.

6.2 Результаты изучения МГД-устойчивости.

6.3 Анализ результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Удержание двухкомпонентной плазмы с высоким β в газодинамической ловушке»

Концепция газодинамической ловушки (ГДЛ), впервые опубликованная в 1979 году [1], появилась благодаря попытке значительно упростить физику удержания плазмы в классическом пробкотроне Будкера-Поста [2,3]. В отличие от пробкотрона, где удержание бесстолкновительных частиц плазмы обусловлено законами сохранения энергии и магнитного момента, ГДЛ предназначена для удержания столкновитель-ной плазмы с изотропным в пространстве скоростей максвелловским распределением частиц. Условие столкповительности выражается в том, что длина свободного пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь много меньше длины системы:

L> Хц-lnR/R, (0.1) где Хц - длина свободного пробега ионов относительно рассеяния па угол порядка единицы, L - длина ловушки, R - пробочное отношение, которое в ГДЛ предполагается большим (R 1). В этих условиях механизм удержания частиц плазмы предельно прост и аналогичен удержанию бесстолкновителыюго газа в сосуде с малым отверстием. Время удержания плазмы в такой ловушке можно определить при помощи простой газодинамической оценки: т и L ■ R/Vi, (0.2) где Vi - средняя тепловая скорость ионов, что и оправдывает название системы.

Важнейшим достоинством газодинамической ловушки является простая и надежная физика продольного удержания плазмы, продольные потери частиц в ГДЛ практически не зависят от скорости их рассеяния внутри ловушки [4]. Чтобы получить нужное для реакторных приложений время удержания, достаточно увеличить пробочное отношение, насколько это позволительно, и увеличить длину ловушки до нужных размеров. Другим замечательным достоинством газодинамической ловушки является возможность достижения МГД устойчивости плазмы в рамках осесим-метричной конфигурации магнитного поля [1,4]. Это возможно благодаря относительно высокой плотности плазмы, истекающей в запробочную область — расширитель, где кривизна силовых линий магнитного поля может быть сделана благоприятной для обеспечения МГД устойчивости плазмы в пробкотроне. Для усиления стабилизирующего действия в некоторых случаях целесообразно заменить расширитель на МГД-якорь другого типа, например на антипробкотрон (касп) [6]. Важно отметить, что газодинамическая ловушка обладает еще одним очень важным достоинством, характерным для пробкотронов. Согласно результатам теоретического анализа МГД устойчивость в ГДЛ сохраняется при высоких значениях плазменного /3 (/3 = 87Г • Р/В2 - отношение давления плазмы к давлению магнитного поля), вплоть до /3 = 0.3 — 0.7 [5].

Главный недостаток ГДЛ, с точки зрения реакторных приложений, есть, как бывает часто, продолжение ее достоинств. При использовании технически достижимых на сегодняшний день способов создания магнитного поля в пробках минимальная длина термоядерного реактора на основе газодинамической ловушки превышает 1 км [4]. Такая длина сегодня кажется слишком большой, однако принципиально не закрывает перспективы развития термоядерных реакторов па основе ГДЛ в будущем. Более того, вероятные прорывы в области технологий создания сверхсильных магнитных полей (к примеру, достижения мегагаусспых напряженностей с использованием теплых сверхпроводников) могли бы вывести газодинамическую ловушку в лидирующее положение с точки зрения перспектив использования в качестве термоядерного реактора [7].

Тем не менее, более реалистичным на сегодняшний день кажется предложение использовать ГДЛ в качестве нейтронного источника, т. е. термоядерного реактора с высокой плотностью нейтронного потока и относительно низким КПД [8]. Источник расширитель пробки пучки пробки

Рис. 0.1: (а) - конфигурация магнитного поля и продольное распределение плотности плазмы в проекте источника нейтронов на основе газодинамической ловушки. нейтронов (ИН) D-T реакции с энергиями близкими к 14 МэВ и плотностью мощности потока ~ (1-4) МВт/м2 сегодня становится все более необходимым для специалистов в области термоядерного материаловедения, перед которыми стоит одна из сложнейших проблем термоядерных исследований - задача поиска материалов, обладающих адекватной нейтронной стойкостью, для создания первой стенки будущих D-T реакторов [9]. Существуют также предложения использовать нейтронные источники такого типа для дожигания радиоактивных отходов и даже для управления подкритическими реакторами деления [10].

Чтобы обозначить физические основы проекта источника нейтронов на базе газодинамической ловушки, а также его отличительные особенности, рассмотрим бегло настоящий проект, следуя [11]. В этом поможет нам рисунок 0.1. Главной частыо установки является осесимметричный пробкотрои длиной ~ 10 метров с пробочным отношением R « 20, предназначенный для удержания двухкомпонентной плазмы. Одна из компонент — столкновительная мишенная плазма с изотропной в пространстве скоростей максвелловской функцией распределения частиц — имеет температуру электронов и ионов 0.5-1.0 кэВ и плотность (2 — 5) • 1014 см-3. Для этой компоненты характерен газодинамический режим удержания, так как длина пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь не превышает длину ловушки. Другая компонента — быстрые ионы с энергиями, лежащими в термоядерном диапазоне, — образуется в результате мощной атомарной инжекции. Бесстолкно-вительный, адиабатический режим удержания характерен для данной компоненты. Популяция быстрых ионов, в свою очередь, складывается из двух составляющих: дейтонов и тритонов, которые, сталкиваясь, призваны производить термоядерные реакции. Энергия атомарной инжекции при этом предполагается 100-130 кэВ при мощности 20-60 МВт.

Плотность и температура мишенной плазмы, а также энергия атомарной инжекции находятся в таком соотношении, что характерное время торможения быстрых ионов оказывается много меньшим, чем характерное время рассеяния на угол порядка 1. Атомарная инжекция предполагается наклонной с углом около 30° по отношению к оси установки. При этом быстрые ионы, совершая продольные баунс-колебания между магнитными пробками, сохраняют малый угловой разброс, характерный для инжектированных атомарных пучков. В этих условиях вблизи областей отражения частиц — магнитных пробок, продольный профиль плотности быстрых ионов, а следовательно, и профиль плотности потока нейтронов за счет термоядерных реакций, оказываются пикированными, а сами величины плотности попов и потока нейтронов во много раз превышают соответствующие параметры в центральной плоскости ловушки. Таким образом, наклонная инжекция нейтральных атомов позволяет разнести в пространстве область захвата пучков и зону испытаний нейтронного генератора (см. рисунок 0.2). Очень важно также, что наклонная инжекция позволяет минимизировать отрицательный вклад быстрых ионов в МГД устойчивость двухкомпонентиой плазмы. Существуют даже предложения МГД стабилизации плазмы при помощи популяции быстрых ионов, для чего предполагается использовать специальную конфигурацию магнитного поля с благоприятной в смысле МГД-устойчивости кривизной силовых линий вблизи областей отражения быстрых ионов [12,13]. С другой стороны, как это следует из уравнений сохранения энергии и магнитного момента быстрых ионов, наклонная инжекция эффективно уменьшает анизотропию их функции распределения в пространстве скоростей вблизи областей отражения, что, в свою очередь, благоприятно влияет на микроустойчивость популяции быстрых ионов.

Роль мишенной плазмы заключается в том, что она, во-первых, обеспечивает захват пучков, во-вторых, осуществляет МГД стабилизацию двухкомпонентиой плазмы, и в-третьих, наличие теплых ионов с изотропным в пространстве скоростей распределением позволяет стабилизировать микронеустойчивости, вызванные неравновесностыо распределения быстрых ионов [14].

Осесимметричная конфигурация магнитного поля, наклонная илжекция атомарных пучков и использование столкновительной мишенной плазмы, удерживаемой в газодинамическом режиме, для обеспечения захвата пучков, МГД-стабилизации и стабилизации микронеустойчивостей являются особенностями, отличающими проект источника нейтронов на основе ГДЛ от других подобных проектов на базе открытых систем для магнитного удержания плазмы [15,16,17]. Подробный обзор теоретических работ по тематике удержания нлазмы в ГДЛ, а также обоснование одного из вариантов проекта источника нейтронов на основе газодинамической ловушки опубликованы в [18].

Для экспериментального обоснования проекта ИН была создана и успешно работает в течение ряда лет в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН установка ГДЛ, на которой осуществляется моделирование физических процессов в генераторе нейтронов при меньшем уровне параметров плазмы, а также проводится ряд исследований, направленных на изучение физики удержания плазмы, как в газодинамической ловушке, так и в открытых магнитных системах других тинов.

Рис. 0.2: Конструкция источника нейтронов на основе газодинамической ловушки (рисунок заимствован ш [И] с любезного согласия автора).

Наиболее важные пункты программы исследований на установке ГДЛ перечислены ниже с некоторыми дополнительными комментариями.

• Исследование МГД устойчивости двухкомпонентной плазмы с высоким значением /3 в осесимметричной магнитной ловушке, стабилизированной внешним МГД — якорем. Актуальность данной задачи подчеркивается тем обстоятельством, что до настоящего времени не существует исчерпывающего теоретического анализа МГД - устойчивости такой плазмы с учетом относительно больших ларморовских радиусов и высоких скоростей азимутального дрейфа быстрых частиц.

• Изучение удержания частиц и энергии в мишенной плазме при нагреве мощной атомарной инжекцией в присутствии популяции быстрых ионов. Данная задача разбивается па два крупных подпункта. С одной стороны, ее решение подразумевает изучение продольного удержания, а с другой стороны — исследование поперечного переноса вещества и энергии. Хотя, как сказано выше, газодинамическую ловушку отличает простая и надежная физика продольного удержания частиц, с продольным удержанием энергии дело обстоит значительно сложнее, поскольку существует прямой контакт истекающей за пробки плазмы с поверхностью торцевых плазмоприемников. В этих условиях высокоэнергичные частицы плазменного потока способны вызвать эмиссию «холодных» электронов с поверхности плазмоприемников, которые, в свою очередь, замещая «горячие» электроны, покинувшие ловушку, могут вызвать мощное аномальное охлаждение. Для преодоления влияния этого эффекта предлагались специальные конструкции торцевых приемников плазмы, которые бы позволяли подавлять потоки вторичных электронов (см. например [19]). С другой стороны, теоретически было показано, что естественно расширяющееся за пробками ловушки магнитное поле способно при достаточно большой степени расширения полностью подавить аномальный электронный поток тепла [20]. Ввиду чрезвычайной важности вопроса о продольном удержании энергии, как для проекта генератора нейтронов, так и для физики магнитных ловушек, данное предсказание требовало прямой экспериментальной проверки. Большой интерес представляет также вопрос о поперечном транспорте частиц и энергии в мишенной плазме ГДЛ. С одной стороны, этот интерес продиктован проектом ИН, а с другой стороны, вопрос имеет принципиальное фундаментальное значение для физики магнитных ловушек. Важно отметить, что полностью аксиально симметричный пробкотрон установки ГДЛ является очень удобным объектом для изучения этой проблемы в «чистых», не замутненных физическими явлениями, связанными с несимметрией магнитного поля, условиях. Среди проблем, связанных с удержанием частиц и энергии в ГДЛ, очень важным представляется изучение возможности поддержания стационарной плотности мишенной плазмы. Эта задача диктуется требованием непрерывного режима работы генератора нейтронов. Она включает в себя экспериментальный анализ различных возможностей стационарной инжекции плазмы или нейтрального вещества.

• Исследование удержания быстрых ионов. Этот пункт программы подразумевает подробное изучение кинетики торможения и рассеяния быстрых ионов, выявление роли возможных механизмов аномальных потерь, таких как: рассеяние на микрофлуктуациях в плазме, нарушение адиабатичпости движения, вызванное несовершенством магнитной системы, — и так далее. Следует подчеркнуть, что проект ИН допускает только кулоновский механизм рассеяния быстрых ионов. Наличие небольших аномалий в скорости рассеяния, не вызывающее еще существенного уменьшения времени удержания за счет ухода частиц в конус потерь, приводит к уширению угловой функции распределения быстрых ионов, что неминуемо влечет за собой уменьшение пикировки продольного распределения потока нейтронов и тем самым снижает эффективность нейтронного генератора. В связи с этим, для изучения релаксации и удержания быстрых ионов предстаставляется очень продуктивным прямое моделирование источника нейтронов при малой интенсивности термоядерных реакций. В специальных экспериментах с инжекцией нейтральных пучков дейтерия вместо водорода возможно провести измерения распределения интенсивности термоядерных D-D реакций вдоль оси установки при помощи специальных счетчиков, способных регистрировать продукты реакции: нейтроны с энергией 2.45 МэВ и протоны с энергией около 3 МэВ.

• Изучение поведения нейтрального газа в процессе нагрева плазмы атомарной инжекцией, исследование влияния свойств первой стенки на баланс частиц нейтрального газа. Интерес к этой задаче обусловлен необходимостью минимизировать потери быстрых ионов за счет перезарядки на нейтральном газе в процессе работы нейтронного генератора. Для этого необходимо детально исследовать поведение всех компонент нейтрального газа, определить степень их влияния на перезарядные потери быстрых ионов.

Перечисленные выше задачи частично были предметом исследований в течение всего периода экспериментальной деятельности на установке ГДЛ, начиная с 1986 года. В работах [21,22,23] изложены результаты исследования равновесия и МГД устойчивости теплой столкиовителыюй, а также двухкомпопентпой плазмы с низким значением /3 ж 0.05, представлены результаты изучения поведения популяции быстрых ионов также с низким значением /3.

Все исследования, изложенные в настоящей работе, за исключением экспериментов по изучению продольного удержания вещества и энергии, выполнены на модернизированной установке ГДЛ. Модернизация, которая была проведена, в основном, за последние пять лет, включала в себя следующие мероприятия:

• улучшение вакуумных условий, которое заключалось, в основном, в улучшении пучковых трактов атомарных инжекторов и применении электродуговых испарителей титана для быстрого нанесения титанового покрытия па первую стенку установки ГДЛ непосредственно перед рабочим выстрелом, что позволило кардинальным образом уменьшить концентрацию нейтрального газа в процессе атомарной инжекцпи и, практически, исключить потерн быстрых частиц, связанные с перезарядкой на нейтральном газе;

• модернизацию системы атомарной инжекции, что позволило удвоить ее мощность;

• создание ряда новых бесконтактных диагностик, ориентированных на исследование двухкомпонентиой плазмы с относительно высокими параметрами;

• создание новой системы автоматизации управления, сбора и обработки данных.

Перечисленные выше мероприятия, вместе с оптимизированным сценарием эксперимента позволили достичь основных параметров плазмы, таких как: температура ионов и электронов мишенной плазмы, энергосодержание и плотность быстрых ионов, плазменное (3, которые в несколько раз превосходили соответствующие параметры до модернизации установки ГДЛ. В частности, (3 достигло 0.2, плотность быстрых ионов в областях отражения - 1013 см-3 ири средней энергии > 8 кэВ. Таким образом, настоящая работа была ориентирована па реализацию пунктов обозначенной выше программы исследований в условиях, когда удерживаемая в ГДЛ двухкомпонентная плазма обладала достаточно высокими параметрами, в частности, относительно высоким значением (3.

Диссертация организована следующим образом.

• В главе 1 приведено описание экспериментальной установки и типичной временной последовательности работы ее основных систем.

• Глава 2 посвящена экспериментальному изучению продольных потерь вещества и энергии в газодинамической ловушке. Особое внимание в этих исследованиях уделено вопросу о подавлении электронного потока тепла расширяющимся магнитным полем.

• В главе 3 дано подробное описание вакуумной системы установки ГДЛ, оптимизированной процедуры создания вакуумных условий и подготовки первой стенки, приведено описание достигнутых параметров. Также представлены результаты экспериментальных и численных исследований переноса нейтрального газа в центральной ячейке установки ГДЛ в условиях мощной атомарной инжекции при использовании процедуры титанирования первой стенки.

• Глава 4 состоит из двух частей. В разделе 4.1, который посвящен экспериментальному и численному изучению кинетики торможения и углового рассеяния быстрых ионов, описана методика проведения эксперимента, приведены основные параметры плазмы, описаны использованные в данных экспериментах диагностики. Основное внимание уделено аппаратуре и методике измерения локальной функции распределения быстрых ионов по энергиям и питч-углам. Затем дано краткое описанию численных кодов, предназначенных для моделирования популяции быстрых ионов. В заключительной части раздела 4.1 представлены результаты измерений и вычислений. Раздел 4.2 данной главы, посвященный измерениям пространственных распределений интенсивности термоядерных реакций при инжекции дейтериевых пучков, включает в себя описание детектора для регистрации продуктов D-D реакции и обоснование его адекватности решению поставленной задачи. Затем описаны измерения и режимы работы установки, в которых производились измерения, приведены основные результаты экспериментов, сделано сравнение измеренных интенсивностей термоядерных реакций с данными расчетов, приведены основные выводы.

• Глава 5 посвящена описанию экспериментов по изучению энергетического и материального баланса двухкомпонентной плазмы. Глава также содержит два раздела, в одном их которых представлены результаты анализа баланса энергии для двухкомпонентной плазмы с высоким значением (3. Основной акцент здесь сделан на изучение каналов энергетических потерь мишенной плазмы.

В другом разделе 5.2 приведено описание экспериментов по поддержанию баланса частиц мишенной плазмы методом инжекции холодного газа.

• В главе 6 описаны эксперименты по исследованию МГД-устойчивости двух-компонентной плазмы высокого давления. Основное внимание при этом уделено изучению влияния радиального электрического поля на МГД-устойчивость.

• В заключительных разделах диссертации кратко сформулированы основные результаты и выводы работы, а также представлены благодарности.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Багрянский, Петр Андреевич

Выводы

Результаты серии экспериментов с инжекцией холодного газа для поддержания баланса частиц мишенной плазмы можно кратко сформулировать следующим образом.

• Опыты с периферийной инжекцией газа показали возможность использования метода для поддержания материального баланса плазмы в условиях атомарной инжекции на установке ГДЛ и выявили его положительные стороны по сравнению с использованием источника плазмы, а также некоторые недостатки. Измеренный профиль плотности плазмы, формирующийся при инжекции газа, имел максимум на оси. Абсолютные параметры плазмы были достаточно близки к максимальным значениям, достигнутым на сегодняшний день на установке ГДЛ. Возможность же управлять интенсивностью напуска газа позволяет работать в широком диапазоне плотностей мишенной плазмы. Эксперименты с увеличенной длительностью импульса атомарной инжекции продемонстрировали, что удается добиться квазистационарных профилей плотности и температуры при, практически, постоянной мощности нагрева плазмы. Вместе с тем, серьезной проблемой является высокий уровень поперечных потерь, обнаруженных в данном режиме. Учитывая все перечисленные обстоятельства, целесообразно рассматривать данный метод с возможными усовершенствованиями как альтернативу источнику плазмы для обеспечения стартовых условий в планируемых экспериментах с увеличенной длительностью и энергетикой атомарной инжекции.

• Эксперименты с инжекцией холодного газа в приосевую область плазмы позволили получить двухкомпонентную плазму с параметрами, близкими к рекордным или рекордными сегодня на установке ГДЛ. Продольные газодинамические потери частиц и энергии являются доминирующими в этом режиме. Профиль плотности остается достаточно узким на протяжении всего импульса атомарной инжекции, что свидетельствует об устойчивости плазмы. Эксперименты с увеличенной длительностью импульса атомарной инжекции также показали, что возможно добиться квазистационарных профилей плотности и температуры при, практически, постоянной мощности нагрева. Таким образом, проделанные опыты дают оптимистический прогноз относительно возможности использования пеллет - инжекции в приосевую область за зоной остановки быстрых ионов в установках со стационарным режимом работы, например, в генераторе нейтронов. Кроме того, двухкомпонентная плазма с /5 ~ 20 %, не имеющая контакта с газоразрядной ячейкой плазменной пушки, является удобным объектом для исследования различных аспектов проблемы МГД-устойчивости двухкомпонентной плазмы высокого давления, удерживаемой в осесимметричном пробкотроне.

Заключение

Подводя итоги, кратко сформулируем основные результаты и выводы настоящей работы:

1. Произведена модернизация установки ГДЛ, что позволило значительно приблизить основные параметры плазмы в ней к ожидаемым значениям в проекте источника нейтронов на основе газодинамической ловушки. Температура мишенной плазмы достигла 120 эВ при плотности 4 • 1013 cm-3, максимальная плотность быстрых ионов составила 1013 cm-3 при средней энергии 8 — 10 кэВ, параметр /3 достиг 20-25%. В основном, модернизация заключалась в усовершенствовании вакуумной системы ГДЛ и системы атомарной инжекции.

2. Применение титанирования первой стенки совместно с рядом других мероприятий, улучшающих вакуумные условия, позволило сделать несущественной роль перезарядных потерь быстрых ионов в энергетическом балансе плазмы. Энергетическое время жизни горячих ионов относительно перезарядных потерь достигло и 10 мс, при этом полное энергетическое время время жизни быстрых ионов не превышало 1 мс. В динамике исследованы пространственные распределения нейтрального газа в ГДЛ при атомарной инжекции в режимах с нанесением титановой пленки на поверхность первой стенки непосредственно перед рабочим выстрелом. Показано, что коэффициент рециклинга быстрых нейтралов, энергии которых лежат в области (0.1 — 15) кэВ, близок к единице. Это означает, что свеженапыленная пленка титана в экспериментах на ГДЛ имеет свойства идеальной титановой поверхности.

3. Детально изучены параметры плазмы в запробочной области — расширителе газодинамической ловушки — в наиболее важном для термоядерных приложений режиме бесстолкновительного истечения через пробки. Экспериментально показано, что важнейшие характеристики продольного удержания в ГДЛ: потоки частиц и энергии, перепад электрического потенциала между плазмой в ловушке и запробочными плазмоприемниками, энергетические распределения ионов, покидающих ловушку — хорошо соответствуют предсказаниям теории газодинамического истечения плазмы в случае отсутствия значительной эмиссии электронов с поверхности приемников плазмы, которая может являться причиной аномального охлаждения плазмы в ГДЛ.

4. В режиме с неограниченной эмиссией электронов с поверхности поглотителя плазмы в запробочной области исследован предсказанный ранее теоретически эффект подавления аномального продольного теплопереиоса расширяющимся магнитным полем. Показано, что перепад магнитного поля между пробкой и плазмоприемником более чем в 40-50 раз, делает несущественным электронный поток тепла из ловушки, независимо от эмиссионных свойств стенки.

5. Релаксация быстрых ионов была исследована экспериментально и численно с использованием компьютерных кодов, основанных на теории кулоновских столкновений. Детальные сравнения скорости торможения, энергетических и угловых распределений быстрых ионов, которые были измерены в эксперименте и получены численно, позволили заключить, что с точностью до ошибок измерений парные кулоновские столкновения определяют релаксацию горячих ионов. Не наблюдался также в экспериментах аномальный поперечный перенос быстрых ионов в режимах с высоким значением /3.

6. В режимах с инжекцией нейтральных пучков дейтерия в протон - электронную и дейтон - электронную мишенную плазму измерены продольные распределения абсолютных потоков продуктов термоядерных реакций: протонов с энергией 3.1 МэВ и нейтронов с энергией 2.45 МэВ. Профиль потока продуктов D-D реакции имеет ярко выраженный пик вблизи точек остановки. Его положение и форма хорошо соответствует угловому и энергетическому распределению быстрых дейтонов, которое следует из расчетов, основанных на теории парных кулоповских столкновений.

7. Подробно изучен энергетический баланс двухкомпонентной плазмы. Энергетические потери быстрых ионов определяются, в основном, классическим ку-лоповским торможением. В энергобалансе мишенной плазмы доминирует продольный поток тепла, который состоит из двух компонент: классического газодинамического потока тепла и аномального теплопереноса, обусловленного, по-видимому, прямым контактом плазмы в центральной ячейке с плотной и холодной плазмой в газоразрядной камере пушки. Аномальный продольный поток тепла составляет ~ 40% от суммарного продольного потока тепла. Поперечный транспорт не вносит существенного вклада в баланс энергии двухкомпонентной плазмы в режимах с высоким значением (5. Энергетическое время жизни двухкомпонентной плазмы относительно поперечных потерь приблизительно на два порядка превышает соответствующее время жизни, оцененное для бомовского коэффициента поперечного переноса с учетом достигнутых в эксперименте параметров плазмы.

8. Исследованы различные способы поддержания баланса частиц в мишенной плазме при нагреве атомарной инжекцией. Наилучших результатов удалось достичь при инжекции холодного газа в приосевую область плазменного столба. Плотность плазмы на оси в этих условиях достигла 8 • 1013 cm-3, температура электронов - 90 эВ, энергосодержание популяции быстрых ионов ~ 500 — 600 Дж, что превышает параметры, достигнутые при использовании плазменной пушки. При последовательном включении противоположных нейтральных пучков в этом режиме удалось продемонстрировать возможность поддержания стационарной плотности мишенной плазмы.

9. В условиях инжекции холодного газа в приосевую область плазмы при нагреве атомарными пучками в режимах с высоким значением /3 исследована МГД -устойчивость двухкомпонентной осесимметричной плазмы. Изучено влияние радиального электрического поля на МГД - устойчивость двухкомпонентной плазмы. Экспериментально продемонстрировано, что вращение плазмы оказывает значительное дестабилизирующее действие на ее МГД - устойчивость. В экспериментах со специальными лимитерами, находящимися под потенциалом, минимизирующим радиальное электрическое поле, обнаружено устойчивое удержание в режиме без использования МГД - якоря. Выдвинута гипотеза относительно механизма стабилизации плазмы в этих условиях.

Благодарности

Результаты исследований, представленные в диссертации в значительной степени являются плодами труда коллектива лаборатории 9-1 и других подразделений Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. В связи с этим автор выражает глубокую благодарность за плодотворное научное сотрудничество ближайшим коллегам из группы ГДЛ: А. В. Аникееву, С. В. Мурахтину, В. В. Максимову, А. А. Лизунову, А. Н. Карпушову, П. П. Дейчули, Н. В. Ступишину, С. А. Корепа-нову, А. Н. Шукаеву, И. В. Шиховцеву, А. А. Подыминогину, А. А. Зуеву.

Автор также благодарен коллегам из других подразделений ИЯФ, оказавших поддержку исследованиям на установке ГДЛ: А. Д. Хильченко, Г. И. Кузнецову, Г. Д. Минакову, В. В. Мишагину, В. Я. Савкину.

Автор благодарит В. Н. Бородкина, Л. В. Анкудииова, А. В. Патрикеева, Н. И. Лиске, И. Ф. Легостаева, М. Ю. Немкова, Ю. М. Молявина за квалифицированную техническую поддержку экспериментов.

Также автор благодарен коллегам из исследовательского центра «Россендорф» (ФРГ): К. Ноаку, Г. Отто, С. Коллатцу за продуктивное сотрудничество в области создания и применения численных кодов для моделирования плазмы в установке ГДЛ.

Наконец, автор выражает большую благодарность А. А. Иванову зачплодотвор-ное сотрудничество и тяжкий труд по прочтению первых версий текста диссертации, а также за те ценные замечания, которые были высказапны при этом.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Багрянский, Петр Андреевич, 2000 год

1. Мирное В.В., Рютов Д. Д. Газодинамическая линейная ловушка для удержания плазмы. // Письма в ЖТФ. — 1979 — т.5. — С.678.

2. Будкер Г.И. Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций. — М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1958. т.З, с.З.

3. Бишоп А. Проект Шервуд. — М.: Атомиздат, 1960.

4. Мирное В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка. // В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. — М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1980. Вып.1(5). - С.57-66.

5. Бушкова О.А., Мирное В.В. Влияние конфигурации магнитного поля па МГД устойчивость газодинамической ловушки. // В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. — М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1986. — Вып.2. -С.19-24.

6. Рютов Д.Д. Частное сообщение.

7. Котельников И.А., Рютов Д.Д., Цидулко Ю.А., Катышев В.В., Комин А.В., Кривошеее В.М. Математическая модель источника нейтронов на основе газодинамической ловушки. — Новосибирск, 1990 (Препринт/Ин-т ядер. физики СО АН СССР; 90-105).

8. Kruglyakov Е.Р. High Power 14 MeV Neutron Sources for Test of Materials. // Transactions of Fusion Technology: an international journal of the American Nuclear Society. January 1999. - Vol.35, NO IT. - P.20-29.

9. Кругляков Э.П. Частное сообщение.

10. Hinton F.L., Rosenbluth M.N. Stabilization of axisymmetric mirror plasmas by energetic ion injection. // Nuclear Fusion. — 1982. — Vol.22, No.12. — P.1547-1557.

11. Котельников И. А., Росляков Г.В., Рютов Д.Д. Стабилизация желобковых возмущений в осесимметричной открытой ловушке с плещущимися ионами. // Физика плазмы. — 1987. Т.13, вып.4. — С.403-411.

12. Post R.F. The Magnetic Mirror Approach to fusion. // Nuclear Fusion. — 1987 — Vol.27. No.10. - P.1579-1739.

13. A Tandem Mirror Fusion Engineering Test Facility. — Livermore: Laurence Nat. Lab., 1983. (Preprint/LLNL UCID-19328).

14. TASKA-M. A Low Cost, Near Term Tandem Mirror Device for Fusion Technology Testing. — Karlsruhe, Kernforschungszentrum Karlsrue GmbH, 1984. — (KFK report UWFDM-600).

15. Kawabe Т., Hiroyama S., Kozaki Y., Yoshikauia K. et al. // Fusion Technology. — 1986. Vol.2. - P.l.

16. Мирное В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка.// В сб. Итоги науки и техники. Серия Физика плазмы. М.: ВИНИТИ, 1988. - Т.8. - С.77 - 130.

17. Димов Г.И., Закайдаков В.В., Кишиневский М.Е. Термоядерная ловушка с двойными пробками // Физика плазмы. — 1976. — Т.2, вып.4. — С.597-610.

18. Конкашбаев И.К., Ландман И.С., Улинич Ф.Р. О возможности уменьшения электронного потока тепла из открытых ловушек.// ЖЭТФ. — 1978. — Т.74, вып.З. С.956-964.

19. Иванов А.А. Удержание и нагрев плазмы в газодинамической ловушке: Дисс. д. физ.-мат. наук, — Новосибирск, 1994.

20. Аникеев А.В. Равновесие, устойчивость и продольное удержание плазмы в газодинамической ловушке: Дисс. канд. физ.-мат. наук, — Новосибирск, 1996.

21. Карпушов А.Н. Энергетический баланс плазмы в газодинамической ловушке при инжекции атомарных пучков: Дисс. канд. физ.-мат. наук, — Новосибирск, 1997.

22. Багрянский П.А. МГД-устойчивость теплой плазмы в газодинамической ловушке: Дисс. канд. физ.-мат. наук. — Новосибирск, 1990.

23. Ivanov A.A., Anikeev A.V., Bagryansky P.A., et a,I. Experimental study of curvature-driven flute instability in the gas-dynamic trap.//Phys. Plasmas. — 1995. Vol.1, No.5. - P.1529-1535.

24. Давыденко В.И., Иванов А.А., Козьминых Ю.Л. и др. Экспериментальная модель газодинамической ловушки. — Новосибирск, 1986. — (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 86-104).

25. Иванов А.А. Струйные плазменные мишени: Дисс. канд. физ.-мат. наук, —- Новосибирск, 1986.

26. Давыденко В.И., Росляков Г.В., Савкин В.Я. Протонный источник импульсного инжектора атомов установки АМБАЛ. // В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1983. - Вып.2(12). - С.67-70.

27. Росляков Г.В. Ионные и атомарные пучки для нагрева и диагностики плазмы: Дисс. д. физ.-мат. наук, — Новосибирск, 1987.

28. CERN Program Library: PAW Physics Analysis Workstation. An Introductory tutorial. — CERN, Application Software Group Computing and Network Division, 2000.

29. Багрянский П.А., Бочаров B.H., Дейчули П.П. и др. Диагностический комплекс установки ГДЛ для изучения нагрева плазмы при инжекции мощных атомарных пучков. — Новосибирск, 1993. — (Преприпт/Ин-т ядер, физики СО РАН; 93-70).

30. Давыденко В.И., Иванов А.А., Карпушов А.Н., Рогозин А.И., Ступишин Н.В., Шиховцев И. В. Измерение параметров быстрых ионов на установке ГДЛ методом искусственной мишени. // Физика плазмы. — 1997. — Т.23, N 5. — С. 427-430.

31. Hobbs G.D., Wesson J.A. Heat flow through a Langmuir sheath in the presence of electron emission, j I Plasma Physics. — 1967. — Vol.9. — P.85.

32. Мирное В.В., Ткаченко О.А., Распределение электростатического потенциала в газодинамической ловушке. — Новосибирск, 1986. — (Препринт/Ин-т ядер, физики СО РАН; 86-28).

33. Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Karpushov A.N., et. al. Proc. of XIII Int. Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, Washington, 1990. -Vienna, IAEA,1991. Vol.2. - P.655.

34. Дейчули П.П., Иванов А.А., Ступишин Н.В., Измерение профиля амбиполяр-ного потенциала в расширителе газодинамической ловушки методом локальной газовой мишени. // Физика плазмы. — 1998. — Т.24, N 8. — С.715-719.

35. Kuznetsov G.I. А 120 mm oxide Cathode for dismountable vacuum system. // Proc.of the KEK Conference, 97-1, Apr.,1997, Editor: Shigeki Fukuda. — High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Japan, 1997. — Part A. — P.262-268.

36. Курнаев В.А., Пашкова Е.С., Молчанов В.А. Отражение легких ионов от поверхности твердого тела. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

37. Аникеев А.В., Багрянский П.А., Кузнецов Г.И., Ступишин Н.В. продольное удержание вещества и энергии в газодинамической ловушке. // Физика плазмы. 1999. - Т.25, N 10. - С.842-850.

38. Yatsu К., Nakashima Y. et alj/ J. Vac. Sci. Technol. 1988. Vol. A6, No.4. -P.2546.

39. Вендер Е.Д.// В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1987. - Вып.4. - С.41.

40. Вендер Е.Д., Димов Г. И. Электродуговой испаритель титана с трехфазным то-коподводом // Приборы и техника эксперимента. — 1988. — Т.5. — С.129-131.

41. Noack КOtto G., Collatz S. Transport simulations of fast ion and neutral gas dynamics during GDT experiments. // Transactions of Fusion Technology: an international journal of the American Nuclear Society. — January 1999. — Vol.35, NO IT. P.218-222.

42. Reiter D. Randschicht-Konfigurationen von Tokamaks: Entwicklung and Anwendung stochastischer Modelle zur Beschreibung des Neutralgastransports. — RC Juelich (Germany), 1984. — (Report Juel-1947).

43. D.Reiter The EIRENE Code Users Manual (Version: Jan.92). - RC Juelich (Germany), 1992. - (Report Juel-2599).

44. Janev R.K. and Smith J. // Nuclear Fusion Suppl. Special Issue. —1993. — Vol.4.

45. Janev R.K. et al. Elementary Processes in Hydrogen-helium Plasmas (Springer Series on Atoms and Plasmas vol 4). — Springer-Verlag: Berlin and Heidelberg, 1987.

46. Thomas E. W. et al. // Nucl. Instr. Methods. 1992. - Vol.B69. - P.427.

47. Eckstein W. // Nucl. Fusion Suppl. 1991. - Vol.1. P.17.

48. Tabata T. et al. Dependence of the Backscattering Coefficient of Light Ions Upon Angle of Incident — Nagoya 1984. — (Rep. Institut of Plasma Physics IPPJ-AM-34).

49. Eckstein W. and Verbeek H. // Nuclear Fusion Suppl. Special Issue. — 1984. — P.12.

50. Post D.E. and Berisch R. Physics of Plasma-Wall Interaction in Controlled Fusion. NATO ASI Series В vol 131 (New York and London), 1986.

51. Eckstein W. and Biersack J.P. 11 Journ. Appl. Phys. A. 1985. - Vol. - P.123.

52. Nakashima Y., Yatsu K., Tsuchiya K., et al. Investigation of recycling in the GAMMA 10 tandem mirror // Journal of Nuclear Materials. — 1992. — No.196-198. P.493-497.

53. Багрянский П.А., Бендер Е.Д., Иванов А.А., Карпушов A.H., Колатц С., Краль С., Ноак К., Мурахтип С.В. Влияние свойств первой стенки на перенос нейтральных частиц в ГДЛ. // Физика плазмы. — 1997. — Т.23, N 11. — С.979-987.

54. Ivanov A.A., Karpushov A.N. Simulation of Plasma Dynamical Transition across the MHD-stability Boundary under Neutral Beam Injection in the GDT Device. — Novosibirsk, 1996. — (Препринт/Ин-т ядер, физики CO РАН; 96-2).

55. Technology: an international journal of the American Nuclear Society. — January 1999. Vol.35, NO IT. - P.79-86.

56. Афросимов В.В., Кисляков А.И. Диагностика плазмы, ред. Пергамент М.И. — М.: Энергоиздат, 1988. N.6. - С.157.

57. Ivanov A.A. Axisymmetric Mirror Experiments. // Proc. International School of Plasma Physics, Varenna, Italy, 1983. — Varenna, 1983. — P.279.

58. Лизунов А.А. Изучение роли продольных и поперечных потерь в энергобалансе плазмы в ГДЛ: Квалификационная работа на соискание степени магистра. — Новосибирск, 1998.

59. Judith F. Briesmeister (editorj MCNP A General Monte Carlo N-Particle Transport Code. Version 4B. — Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM, 1997.

60. Coensgen F.H., Clauser J.F., Correll D.L. et al. 2XIIB Plasma Confinement Experiments // Proc. of the VI Intern. Conf. on Plasma Phys. and controlled nuclear Fusion Research (1976, Berchtesgaden). Vienna: IAEA, 1977. Vol.3. - P. 135.

61. Simonen T.S. (editor) Summary of TMX-U Results: 1984. Livermore, CA, USA, 1984. — (Report/Lawrence Livermore National Laboratory; UCID-20274).

62. Мыскин O.K. Частное сообщение.

63. Rosenbluth M.N. and Longmire C.L. Stability of Plasmas Confined by Magnetic Fields // Annals of Physics. 1957. - Vol.1. - P.120-140.

64. M.N.Rosenbluth, N.A.Krall, N.Rostoker Finite Larmor Radius Stabilization of «Weekly» Unstable Confined Plasmas // Nuclear Fusion: Supplement, Part 1. — 1962. P.143-150.

65. Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Kuzmin S.V. and Salikova T.V. Experimental observation of non-MHD effects in the curvature driven flute instability // Plasma Physics and Controlled Fusion. — 1992. Vol.34, No.7. — P.1185-1199.

66. Рютов Д.Д, Ступаков Г. В. О возможности стабилизации желобковой неустойчивости в аксиально-симметричном пробкотроне. // Физика плазмы. — 1986. — Т.12, N 12. С.1411-1428.

67. Kruskal M.D. and Oberman C.R. On the Stability of Plasma in Static Equilibrium // Phys. Fluids. 1958. - Vol.1, No.4. - P.275-280.

68. РОСОИ510КАЯ ГОСУЛ.гэстзЕННАЯ Г-1ЬЛИ0ТЕКАd