Инжекция и удержание плотной высокотемпературной плазмы с бета=1 в длинной антипробочной ловушке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Московский Ордена Трудового Красного знамени Физико-технический институт

На правах рукописи

АРХИПОВ Николай Иванович

УДК 533.9.16

И1ГЖЕКЦИЯ И УДЕРЖАНИЕ ПЛОТНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С (3=1 В ДЛИННОЙ АНТИПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ

(01.04.08 - физика и химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, .

<- Работа выполнена в Троицком институте инновационных

••«•л' -

и термоядерных исследовании.

Научный руководитель дакту;г физико-математических наук СКВОРЦОВ Ю.В.

Официальные оппогенты: ДОКТОР ц-мэико-матемап ческих наук КОВАЛЬСКИЙ Н.Г.

канлтат унзико-математкческих наук ПАНОВ Д.А.

ведущая организация - Институт ядерной физики СО АН СССР.

Зг. V."а ямссе^.тацки состоится " " 1992г.

чг-.сов на заседании специализированного совета К 063.91.09 факультета проблем физики и энергетики Московского Физико-технического института по адресу: 117393, г.Москва, ул. Профсоюзная, Д.84/32, К.В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, г.Долгопрудный, Моско!

екая область. Институтский переулок, д. 9, МФТИ, Специализирован» Совет К 063.91.09.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан " " 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н.

КУБИНСКИЙ Н.П.

/

"ЛТ'ЖУ.,,'' ШЩ ;;

.где/

Общая_ха£акте£истика_даботы.

Акт2альность_темы. Изучение .удержания плотной высокотемпературной плазмы в ловушках с остроугольной геометрией магнитного поля является перспективный направлением исследований по управляемому термоядерному синтезу (УТС). Одной из особенностей таких систем является большая скорость потерь энергии в щели ловушки. Для изучения удерживающих свойств данной ловушки по распаду высокотемпературной плазмы мощность инжекции должна находиться на уровне нескольких гигаватт. Ранее в качестве столь мощных источников плазмы использовались е-пинчи и мошные лазеры, облучавшие твердотельные мишени.

В данной работе для заполнения длинной антипробочной ловушки

(ДАЛ) применялись импульсные электродинамические ускорители плазмы

Современные плазменные ускорители позволяют получать сгустки

плазмы с плотностью п=1015-101 см-3, направленной скорость» 8

v=10 см/с, величиной и р= 1, полным энергосодержанием 100 кДж. При инжекции потоков через осевые пробки и столкновении их в центральной части ловушки возможно создание "стационарном" горячей плазмы с температурой в несколько кэВ, полным энергосодержанием в несколько десятков кЛж. Время продольного удержания такой плазмы в ловушке зависит от ширины магнитных щелей, которая .при ^=1 определяется толщиной переходного слоя, между неэамагнкченной плазмой и внешним магнитным полем. .Возможность'^.оёразовану; динамического скин-слоя с толщиной меньше^'Донного ''Йк££орояскогл радиуса, в случае\когяа электроны в ловушке бёсстблкновйтоль.,- ? значительной мере определяет перспективность ~"Улаодидк остроуго1Ьной геометрией магнитного поля в качестве те-.- с

систем.

Лрй /создании в длинной антилробочной ловушке плазмы с iineparyt.oü 'в нескольку кзВ существует опасность ее быстрого лаждения есоль магнитного поля за счет конвективного обмена рячия- электронов из оЬъема ловушки и холодных электронов, итткрозйнных со стенки вакуумной камеры. Исследуемая в данной боте г-.•■г ложность предотвращения столь быстрых потерь тепла по [екТрсйпй.иу каналу с помощью расшмрчтелей магнитного потока и:яет.*-.п' ásc-.-уальной для открытых ловушек различных типов.

2_бй§21У являюсь:

йксг.л 'ментальное исследование кнжекц^и сверхзвуковых плазменншс no'íCXCi С Р=1 в длинную анткпробочну:; повуаку с целью достижения моищос . :-:-и:ехции поряд"1 десяти гкгаБатт;

kccj. . удержания - лотной высокотемпературной плазмы с (=1 в «.!.,____¿й антипробочной ловушке;

изучение охлаждения плазмы в ловушке к влияния расширителей на мощность потерь тепла по электронному каналу.

Впервые обнаружены режимы работы плазменных ускорителей, в

' 16 —3

которых потоки плазмы с плотностью п = 10 см , направленной

7

скоростью, не превышающей 5*10 см/с, температурой Те = 100 эВ, Т^ = 400эВ и величиной £ плазмы около 1 с эффективностью 7} 50£ транспортируются через осевую магнитную пробку (с магнитным полем до 40 кГс) и область с остроугольной геометрией магнитного поля ЛАЛ. (

В экспериментах по заполнению ДА.Л с помощью встречных потоков плазмы впервые продемонстрирована возможность создания в ДАЛ плазменного образования с плотностью n=(1.5-2)*Ю' см" ,

'lo «1 i

погонной плотностью N = 10 см , температурой 1 кэ1, ¡3=1, энергосодержанием W=(30-40)кДж к удержания его в течение промежутка времени, превышающего в четыре раза время свободного растекания ионов. J. Впервые обнаружена асимметрия потока плазмы, вытекавшей в

кольцевую щель, относительно сепаратрисы магнитного поля, что

i

свидетельствует о зависимости толщины переходного ело* от его протяженности.

4, Исследованы механизмы потерь тепла из длинной анткпробочной ловушки как с расширителем магнитного потока, так и без него. Показано, что на стадии удержания неэамагниченной (¡5=1) плазмы

мощность потерь тепла по электронному каналу почт: меньше расчетной.

орядп

1. Определены условия и осуществлена 'эффективная (1}-1 ГА) высокоэнергетичклс потоков плазмы с (¡=1 в д-пинкую дг - Г-о' ловушку.

2. Исследование удержания плотной высокотемперату >■ ' !< представляет практический интерес при раэраг-- < - — термоядерных систем с магнитным удержанием.

3. Использование расширителя магнитного потокь ».г- •-т >рэш'-— быстрого охлаждения Еысокотемперг/турьой плазгш ^ггсти ля* интерес при исследования открытых магнитных ловуц'"

типов. '

На_защит^_вынссятся:

1. Основные результаты исследований по кнжекцкк сверхзвуков« плазменных потоков в длинную антипробочную ловушк; показывающие, что потоки плазмы с плотностью п=10 см

7

направленной скоростью v=5*10 см/сек, температурой Те=100э! Т\=400эВ, величиной Р=1 эффективно(Г|=50%) транспортируют! через осевую пробку ДАЛ с магнитным полем до 40кГс и область остроугольной геометрией магнитного поля (КАСП). Максимальн< энергосодержание потоков в центре ловушки составляло 25-ЗОкДз что соответствует общей эффективности системы кнжекции =10%.

2. Результаты эксперимента по созданию к удержанию плот» высокотемпературной плазмы с ¡3=1 в объеме длинной антипробочн! ловушки, показывающие, что:

а) при столкновении инжектированных потоков в объеме ловуш создается плазменное образование с плотност п=1.5-2*101 см 3, погонной плотность» N=10 см температурой Те+Т^=1кэВ, величиной (3=1, энергосодержани 30-40 кД*.

б) в режиме с открытыми кольцевыми щелями (пробочное отношен к=1) время жизни плаэны Т=4мкс определяется времен продольного растекания ионов L/2vт^.

в) в режимах с удержанием (к>1) поперечная термоизоляция плаз в ДАЛ достигается при обеспечении эффективного зазора меж плазменным цилиндром и боковой стенкой лайнера бол

10*р^(ионных ларморовских радиусов по внешнему магнитно полю).

г) при обеспечении поперечной термоизоляции время жизни плаз

определяется продольными потерями в щели ловушки Максимальное время жизни 1м=11^5мкс в 5 раза превышает вре свободного растекания ионов.

д) время удержания частиц Хм в ДАЛ увеличивается с рост пробочного отношения к. Максимальное Тм=20мкс соответству средней эффективной ширине щели ловушки

е) в кольцевой щели ловушки существует асимметрия пото вытекающей плазмы относительно сепаратрисы магнитного пол что свидетельствует о зависимости толщины переходного сл

плазма-магнитное поле от его протяженности.

I

3. Результаты экспериментального исследования потерь тепла из

ДАЛ, свидетельствующие о том, что:

а) в режимах с удержанием (к=1) в расширителе ловушки возникг распределенный в . пространстве электрический потенциал максимальным значением в кольцевой щели, близким амбиполярному.

б) мощность потерь тепла из ловушки по электронному каналу ш расчетной почти в 10 раз.

в) отсутствие расширителя не оказывает заметного влияния мощность потерь электронного тепла из центра ДАЛ в тече1 времени удержания незамагниченной плазмы 1 ]^=20мкс.

£?2§ й 2 _Е:1§ 21й •

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывал!

и обсуждались на:

1. Всесоюзных совещаниях по физике плазмы и УТС в г. Звенигород«

1987 и 1990 гг.

а' ■

2. ДО. и К11 Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям

ионным инжекторам (Днепропетровск, 1986), (Харьков,1989).

3. • Европейской конференции по физике плазмы и

( Дубровник, 1988)... -

£; , .

4. XII- {'Международной конференции по физике плазмы и

(1|11^р»1988), -V

5. • Всесоюзных совещаниях по открытым ловушкам (Сухуми,апрель,19

.а''--'

! (Москва,октябрь1989).

6.' и/иосква; ' 1984), и, йМ{ Фрунзе, 1990) межотраслевых конференц

— ■ ч(

по Проблемам преобразования энергии и взаимодействия излуче

»С*- { { * '

в еще;твом.

O^ÜSiüiäH!!!!'

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

С Т£2кт££а_и_объем_диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех эзсхт 112 страниц машинописного текста, эатурных ссылок из 89 наименований, 1камк.

Зо_введении обсуждаются перспективы использования ловушек с

эугольной геометрией для удержания термоядерной плазмы,

-1улмрованы основные проблемы, возникающие при использовании

аггых ловушек такого типа.

Приводится обзор основных теоретических и экспериментальных

г по удержанию плазмы в открытых антипробочных ловушках.

цается внимание на то, что основная масса публикаций по таким

якам посвящена исследованиям переходного слоя между плазмой с

и удерживающим магнитным полем и, соответственно, ширины щели

терь частиц из объема ловушки. В теоретических исследованиях

км толщины скин-слоя в варьировались от 2ре (ре~электронный

эровский радиус) в ранних работах Розенблюта и Фирсова до

ольких ионных ларморовских радиусов р^ в работах, учитывавших

альную диффузию при развитии дрейфовых неустойчивостей с

чкык порогом возбуждения. В экспериментальных работах

ожность получения ширины магнитной щели меньше р^

емонстрирована лишь в нескольких случаях, в основной же массе

еркментов получены оценки размеров щели, превышавшие р^

чается, что в конце семидесятых годов была разработана

согласованная модель удержания плазмы в длинной антипробочной

:ике, согласно которой возможно образование динамического

1 /2

-слоя, толщина которого выражается формулой !> = 0 . 3| .> (1+aL/X ^ длина ловушки, \ - длина свободного пробега электронов, эффициент порядка единицы). Таким образом, минимальное

енне магнитной щели, согласно этой теории, . =0.3Г. если

т 111 1 1

троны в ДАЛ бесстолкновителъны.

глав и заключения, включающих список иллюстрирована 38

Проблема удержания тепла в ловушках с остроу]

геометрией магнитного поля ранее рассматривалась л

немногочисленных работах. Между тем проблема тепловых

становится псе более важной по мере повышения температуры 1

При термоядерных параметрах потоки энергии из ловушки в

9 2

кольцевой щели оцениваются в 10 Вт/см , и у стенки

образовываться слой низкотемпературной плазмы с нулевой ]

выхода для электронов. В этом случае возможно быстрое охл

плазмы в ловушке за счет конвективного обмена горячих эле

из ловушки и холодных электронов из пристеночной

Энергетическое время жизни плазмы из-за быстрого охл

электронов может оказаться значительно меньше времени уд

конов. Для существенного уменьшения тепловых пот<

самосогласованной модели ДАЛ было предложено сильно ра

выходящий из ловушки поток плазмы в области между щелью и с

Основная идея состояла в том, что в бесстолкновительном с.

расширителе должна возникать популяция электронов, заперты

магнитной пробкой, которая не пускает их в ловушку, и п

около стенки электрическим потенциалом плазмы. По мнению а

с появлением в расширителе фракции запертых эле

электрический потенциал плазмы становится распредели

пространстве с максимальным значением в районе кольцево)

Показано, что при достаточно большой степени расширения

потенциал плазмы в ловушке относительно стенки ф ста

т о

порядка амбиполярного, прк этом падение потенциала в расш

ф(г) происходит логарифмически до ф(г)=Т /е, а затем спад -4/3

к ' . По сделанным оценкам применение расширителя уменьшать поток тепла из ловушки почти на порядок.

Далее отмечается, что для экспериментальной л самосогласованной модели удержания мощность инжекции находиться на уровне нескольких гигаватт. ОбосноЕ применение в настоящем эксперименте для решения данной и импульсных плазменных ускорителей с целью изучения свойств распаду высокотемпературной плазмы, образующейся столкновения встречных плазменных потоков в центре ловушки.

В заключительной части введения определена диссертационной работы, кратко изложено ее сод« сформулированы защищаемые положения.

Пе{звая_глава посвящена описанию экспериментальной ус и методов диагностики высокотемпературной плазмы, использо! в настоящей работе.

Экспериментальный стенд состоял из двух коаксиальных плазменных ускорителем с импульсным напуском газа, длинной антипробочной лопушки и двух систем транспортировки плазменных потоков от ускорителей до ловушки, представляющих из себя ллаэмопропояы с профилированным по длине продольным магнитным полем. Ускорители залитыпались от конденсаторных батарей емкостью

по 1152ик<Ь. Напряжение на конденсаторных батареях в холе

f

экспериментов варьировалось от 20 яо 33 кВ. Начальная индуктивность разрядного контура состпнияла 18нГ. Рабочий гаэ (дейтерий) инжектировался в межэлектродный зазор ускорителя с помощью быстродействующего электродинамического клапана.

В экспериментах по исследованию инжекции плазмы в ДАЛ после выхода из ускорителя плазменные потоки транспортировались до ловушки в тонкостенных металлических лайнерах переменного сечения. Профилированное по длине кваэистационарное магнитное поле неличиной ло 40кГс создавалось в лайнерах системой многовитковых соленоидов.

В экспериментах по удержанию плазмы в ДАЛ ускорители устанавливались на расстоянии 4 м навстречу друг другу и их камерь соединялись плазмопроводами. Запуск ускорителей осуществлялся одновременно, и столкновение потоков происходило в центральног сечении ловушки.

Для контроля режимов работы ускорителей и иэмерени; параметров плазмы применялся ряд диагностических средств.

i

Разрядный ток и напряжение на электродах ускорителе! измерялись с помощью поясов Роговского и омических делителей.

Внутри лайнеров в непосредственной близости от стенк

устанавливались магнитные зонды, представляющие собой плоски

2 ■ катушки с поперечным сечением 1x10мм . Одновременно испг...;ъзов;> - с

до 16 зондов. Они располагались через 10-50 см по т :ей в г

си стемы. По сигналам пристеночных зондов определял.'. •••• к

внешнего по отношению к плазменному потоку магнитьсгс О

(В - начальное г.оле в отсутствие плазмы), а по времс". . сдвиг

сигналов зондов, расположенных в различных сечениях ллазмопровода

-скоростные характеристики потоков. Распределение кагнятшж поле

в плазме B^(r,t) исследовалось с помощью миниатюрных петп^.п

зондов. По измеренным значениям А:} и :■■ ¡..ь

газокинегическое давление плазмы.

ч(Те+Т.) = (Во+4В^811Г B.2gl

Для исследования пространственного ¿)аспределе.: плазмы в расширителе использовался электрический зс.;. .ó ■ :.c¡

плавающий потенциал. Рабочей частью зонда служила вольфрамовая проволока диаметром 1 мм, на 2 мм выступавшая из фарфорового изолятора. Электрический зонд, а также набор из семи миниатюрных магнитных зондов вводились в вакуумную камеру через специальные отверстия в боковой стенке расширителя и могли без нарушения вакууп? перемещаться от кольцевой щели ДАЛ до боковой стенки вдоль сип ..иний магнитного поля.

Д;:гамика электронно"! температуры и плотности исследовались при п ¡мощи методики '/омсоновского рассеяния лазерного излучения. Чстст ' >?!ми света сл/кйли два рубиновых лазера с энергией cbsyoso't. импульса 2 мж, длительностью 30 нсек. Оаин лазер кспол'-зоэался для контроля повторяемости параметров плазмы от

разр----- к разряду, время его запуска не изменялось. Второй лазер

кст-'- - клался для исследования динамики параметров плазмы, время е„г ска варьировалось. Температура электронов оценивалась

с,:<- о с тносительной интенсивности неразложенного в cneKTt ;env >с.;ского излучения плазмы, прошедшего через фильтрь

:. : поглощающей способности. Для рег;:страции рентгеноискчгс из гуч ~.:.1я использовался двухканальный сцинтилляционный детек \."'.i,j t набелю ■ поглощающих фильтров.

Зависимости нейтронного выхода N(t) и интенсиьност! нейтронного излучения J(t) от времени определялись с помощы сцинтилляционных детекторов. Для исследования пространственное распределения интенсивности нейтронного излучения применяла нейтронный коллиматор. Он представлял собой канал диаметром L30 mi и длиной 500 мм в блоке замедлителя. В качестве замед чител;

I

использовался слой воды толщиной 500 мм. При расстояши Д| источника 70 см пространственное разрешение коллиматора сост.шлял: 20 см.

Скоростной напор плазменных потоков pv2/2 регистри! .¡ванс датчиком давления. Чувствительным элементом в нем служили трмп^гк из пьеэокерамики ЦТС-19. Временное разрешение детектора сост t 2 мкс.

Полная энергия плазменных потоков, пространст ¡¡<-распределение энергии плазмы, вытекающей в кольцевую 1. поперечные потерм тепла из плазмы на стенку лайнера изм. методом интегральной калориметрии.

Для регистрации сигналов магнитных и электрических зоь, нейтронных и рентгеновских датчиков использовались цифр(,. осциллографы С9-8, которые были соединены с персоналы, компьютером типа 1ШМ PC/AT- Использование персонального KOM.jbWTi'i

п; (о с помощью специальных программ обработки сигналов 1 , картину поведения плазмы в ловушке, получать значения ..ее важных параметров плазмы и их динамику во времени редственно в десяти минутном интервале между отдельными ми устанопки.

§2_212Е2!!_ГЛ255 изложены результаты исследований инжекции енных поток«'.1 в длинную антипробочную ловушку в согласованных ах работы ускорителя, при его различных модификациях. В первом параграфе описываются исследования параметров звуковых плазиенных потоков, генерируемых электродинамическим ителем, прл транспортировке их в цилиндрическом оп!>оводе, заполненном однородным магнитным полем. Показано, эменяя напряжение на батарее и начальную массу рабочего газа варьировать направленную скорость плазменного потока V от

7

см/с до 8*10 см/с. При этом значения числа Маха потоков 5^3*кТ/М;^)(М^-масса иона) во всех режимах примерно ковы и составляли М=2, поскольку ионная температура в сгустке возрастала с увеличением скорости потоков. В то же время ■ Маха уменьшалось по длине струи, поскольку направленная сть плаэг-ы достаточно резко спадала по длине головной части а. Дисперсия направленной скорости приводила к продольному иканию потока и снижению его погонной плотности в процессе гпортировки.

Полная энергия (кинетическая и тепловая) незамагниченной 9) головной части потока не-превышала ЗОкДхс, что значительно 1е полного энергосодержания потока 3? ЮОкДж, измеренного

■ральным калориметром. Такое расхождение объясняется наличием

I

ниченнои тыловой части потока, энергосодержание которой лиало энергию головной части потока.

Во втором параграфе описывается исследование сжатия потоков, транспортировке их в сужающемся коническом плаэмопровопе с :тающим по длине магнитным полем. Определены степени сжатия, которых происходит полная остановка потока, диссипация его явленной энергии в тепловую и быстрые ее потери на стенки ;ра. Показано, что сильная ударная волна, приводящая к шации кинетической энергии сгустка и его быстрому -ничиванию возникает в сечении плазмопровода, где число Маха са приближается к единице. Снижение числа Маха в головной * потока до единицы происходило за счет нагрева плазмы при зжении сгустка в нарастающем магнитном попе. Ни основе зленных исследований подобраны параметры длинной ангипробочной

лопушки и конических плазмопровояов для транспортировки пл^э^ сгустков от ускорителя яо ДАЛ.

В третьем параграфе приведены результаты исследоваш инжекции п ДАЛ плазмы в режимах работы ускорителя с В1

7

направленной скоростью потоков у>5*10 см/сек. При прохо) потоком области КАСПа обнаружено разделение замагничеш незамагниченной плазмы в головной части сгустка. Полная Э1 инжектированной в ловушку плазмы составляла не более 20 кД> транспортировке плазмы через центральный соленоид ДАЛ половины полного энергосодержания сгустка терялись п магнитного поля на стенку лайнера. На основе проведенных изм сделан вывод о том, что низкая эффективность инжекции (Т)< высокие поперечные потери энергии при пролете инжектиров сгустка через центральный соленоид ловушки связаны с низким Маха потока М=2 на выходе ускорителя.

В четвертом параграфе описаны меры, принятые по пов числа Маха потоков на выходе ускорителя. Показано, что реж большим числом Маха М>3 и, соответственно, на» эффективностью инжекции удалось достичь при относительно не!

7

скоростях генерируемых потоков v<5*10 см/сек. Достигнуты слс

параметры потоков плазмы, инжектированных в ловушку через

пробки с магнитным полем яо ЗОкГс и область КАСПа:

энергосодержание потока И=25-30кДж, что соотве-

эффективности инжекции 1]>10%, плотность плазмы п=2*10

17 —1

погонная плотность потока N=6*10 см , температура Те=100эВ, Т^=400эВ, величина Р=1. В результате лров< исследований удалось обеспечить мощность инжекции плазмы в двух ускорителей 12-20ГВТ, что в 3-4 раза превышает ож мощность потерь плазмы из ДАЛ. Таким образом, удалось обе мнжекцию потоков плазмы с параметрами, необходимыми для про экспериментов по исследованию общих закономерностей уд частиц и тепла в ДАЛ. Но для этого пришлось работать в ре

7

невысокой скоростью потоков v<5*10 см/сек и, соответс температурой торможения ионов после столкновения Т^<1кЭв.

§_1Е§1Ь2!!_С5252 изложены результаты экспериментов.по с и удержанию плотной высокотемпературной плазмы в ДАЛ.

В первом параграфе рассматривается создание в обы высокотемпературного плазменного образования при столь встречных плазменных потоков в центральной части J Показано, что и при отсутствии плотных тыловых частей г отсечённых осевой пробкой, столкновение происходит на длиг

много меньшей кулоновской длины соударений ионов встречню

потоков. После столкновения сгусткоп в объеме ловушки возникае!

16 — 3

плазменное образование с плотностью п=1.5-2*10 см , погонно* 1 2 _1

плотностью N=1*10 см , температурой Т\=0.8кЭВ, Те=250-300эв, величиной Р=1, энергосодержанием Ю=30-40кДж.

Во втором параграфе обсуждаются вопросы, связанные с энергетическим временем жизни высокотемпературной плазмы в ДАЛ пр> различных пробочных отношениях к. Для сравнения изучался распаг высокотемпературной плазмы при к=1(магнитное поле в кольцевой шел» меньше удерживающего магнитного поля в центральном соленоид« ловушки). Показано, что в этом случае время вытекания плазмы 1 открытые кольцевые щели составляет 4мкс, что близко к

Отмечается,что в режимах удержания плазмы(к>1) существуют яв; канала потерь энергии: поперек магнитного поля на стенку лайнера ] вдоль магнитного поля в щели ловушки. Поперечные потери энерги) начинали играть заметную роль при ослаблении начального магнитноп поля в ловущке Во<14кГс. При этом эффективный зазор между стенко! лайнера и плазмой с (3=1 становился менее 10*р^. С увеличение! магнитного поля Во<14кГс поперечные потери уменьшались д( приемлемого уровня, при Во=18кГс не превышали 10% от полноп энергосодержания плазмы, а энергетическое время жизни определялось потерями энергии вдоль магнитного поля в щел: ловушки. Максимальное время жизни 1и=11.5мкс составляло около 4-: времен свободного растекания плазмы

В третьем параграфе из сопоставления измеренных значений и динамики ионной и электронной температур оценивались времен; жизни частиц и, соответственно, эффективные ширины щелей ЛАЛ Показано, что при обеспечении поперечной термоизоляции пр Во<14кГс основным механизмом потерь энергии является уход частиц щели ловушки. Время удержания частиц оценивалось также из непосредственных измерений погонной плотности частиц Ъ) в центр ловушки. Максимальное время удержания частиц Т^=20мкс, чт соответствует суммарной ширине всех щелей ловушки (количеств которых по теории ДАЛ равно шести) около 6*р^.

В четвертом параграфе приведены результаты непосг- -.дственны измерений структуры потока плазмы, вытекающего в ;••:. и-."-. :

ловушки. Показано, что хотя эффективна/ ширина к^ . . .:!.;.;

4 эф=Р*&4з*р вытекающий поток плазмы имеет ширину Д а !ГР

этом плазма в кольцевой щелк сильно замагничена (. .агь;ю

(З<0.3), Обращается внимание на наличие асимметрии :-л:здег

потока плазмы относительно сепаратрисы магнитного пол? Нали-,и

такой асимметрии, а также оценка величины потока ш лзны вытекающего в осевое отверстие, свидетельствует о том, чт основная часть плазмы из ловушки теряется через полоышк кольцевой щели, примыкающую к центральному соленоиду ловушки.

В пятом параграфе приведены оценки толщины переходного ело плазмы в ДАЛ, сделанные по итогам эксперимента. Отмечается, чг толщина переходного слоя зависит от его дпины вдоль силовых лини магнитного поля, о чем свидетельствует асимметрия поток относительно сепаратрисы в кольцевой щели. Проводится сравнени данных эксперимента с теоретическими моделями образовани переходного слоя в ДАЛ. Показано, что экспериментальная оценк толщины скин-слоя находится между теоретическими значениями предсказываемыми по классической и турбулентной модели образовани скин-слоя, которые для параметров плазмы в нашем эксперимент отличаются менее чем в два раза.

Четвертая_глава посвящена изучению потерь тепла из ДАЛ.

В первом параграфе представлены результаты иэмерени плавающего электрического потенциала в расширителе ловушки з кольцевой щелью. Показано, что при К)>1 в расширителе возникав распределенный в пространстве электрический потенциал, максимальным значением в кольцевой щели, близким к амбиполярному На основании измерений потенциала сделан вывод, что мощное г потерь тепла по электронному каналу должна быть невысока и близ к к мощности ионных потерь.

Во втором параграфе мощность потерь тепла из ловушк оценивалась по результатам исследования динамики электронной ионной температуры в центре ловушки. Экспериментально полученнк зависимости ионной и электронной температур плазмы в центр ловушк: сравниваются с двумя расчетными моделями, отличающкмис друг о", лруга типами краевых условий для электронной компоненть Лоьи ^то полученал в эксперименте температура электроне

'Г -а-. 3.. па крайней мере, в 1.5 раза превышает расчетнь

зна.чи! !я, что свидетельствует о снижении мощности потерь тепла я ■>,чьу '■*!' ['.'и на порядок по сравнению с расчетной.

_________ отмечается, что на поздних стадиях удержания('¿^20мкс)

, .стается зг.лагниченная плазла с низким значением ►

темп. ,.ой Т <100эЗ, < система работает как газодинамическа

е '

ЛОВ у '

.четьем параграфе описаны результаты эксперимента, расширители вытекающего из ловушки потока плаз!-о*су, .^овалм. Показано, что динамика электронной температуры

•ре ловушки в течкние первых 20мкс удержания не изменяется. Из •о сделан вывод, что существует некий механизм подавления юльных потерь электронного тепла, который оказывает более ¡ственное влияние на динамику электронной температуры в центре чем наличие расширителя с распределённым в пространстве стрическим потенциалом.

Отмечается, что динамика электронной температуры «гниченной плазмы с низким и на поздних стадиях удержания >0мкс) резко отличается от эксперимента с наличием расширителя. |Ксирован резкий спад электронной температуры от Те=100эВ до 1ИЦ электрон-вольт менее чем за Юмкс. Высказаны предположения ззможных механизмах столь резкого охлаждения электронов.

В четвертом параграфе обсуждаются результаты экспериментов по <еник> потерь тепла из ДАЛ. Приводятся возможные причины сождения экспериментально измеренной температуры электронов с шми расчетных моделей. Сделаны предположения о наличии <ального градиента электронной температуры, ответственного за {икновение уширенной замагниченной части скнн-слоя, гствование которой в кольцевой щели описано в четвертом 1графе предыдущей главы.

В_эаключенки приводятся основные результаты диссертационной эты.

1. Показано, что для высокой эффективности инжекции в ДАЛ змеиные потоки, генерируемые электродинамическими ускорителями, кны обладать высоким значением числа'Маха на выходе ускорителя.

2. Высокие значения числа Маха' М >3 и, соответственно,

< °

экая эффективность (7) = 10%) мнжехцмм плазменных потоков в

7

ршку достигнуты в режимах со скоростями потоков v<5*10 си/сек.

гэ осевые пробки с магнитным полем В =30кГс в ловушку были

п 16 -3

актированы потоки плазмы с плотность» п=2*10 см , погонной 17 -1

гностыо N=6*10 см , температурой Те=150эВ, Т^=400эВ, полным эгосодержанием И=20-25кДж, величиной {3=1. Суммарная мощность гкции от двух ускорителей составила {12-20)*ГВт.

3. Релаксация направленного движения потоков при их встречном кмодействии в центре ДАЛ происходила на длине 1=50см, иного ьшей кулоновской длины соударений ионов встречных потоков

? ' г'

8*10 см.

4. При встречном столкновении инжектированных потоков в еме длинной антипробочной ловушки получено высокотемпературное змеиное образование с полной энергией 30-40кДж, температурой Г.=1кэВ, плотностью п=(1.5-2)*1016сн , погонной плотфстыо

М=10^"см Х, величиной (3=1.

5. Показано, что приемлемый уровень поперечных потерь плазмы О <о.2*ЦI осуществлялся при обеспечении эффе» поперечного зазора между высокотемпературной плазмой и стенкой лайнера <3>10*р^(р^-ионный ларморовский радиус по I магнитному полю).

6. При пробочном отношении к=1 время жизни плазмы сое г=4мкс =ь/2ут^ и определялось временем свободного вытек открытые кольцевые щелк ловушки. С увеличением пр< отношения время жизни плазмы в ДАЛ возрастало до 11.5 ко=2.1, а затем снижалось из-за возрастания уровня по! потерь энергии до 0=0.5*М.

7. Оценка динамики температуры, а также погонной п) плазмы в центре ловушки позволили оценить время жизни

18—20мкс, что соответствует средней ширине щели магнита б=рг

8. Из асскметрия потока плазмы в кольцевой щели отно/ сепаратрисы магнитного поля и оценок величины потоков в К1 щель и осевую пробку сделан вывод, что толщина переходное центральном соленоиде в три раза превышает толшину скип области между кольцевой к осевой пробкой. Сравн теоретическими моделями удержания плазмы в ДАЛ показа экспериментальные значения толщины скин-слоя находято оценками, полученными для ламинарной и турбулентной образования переходного слоя.

9. Оценки мощности тепловых потерь по динамике эле

■I

температуры в центре ловушки позволяют сделать вывод, стадии удержания незамагнкченной ((3=1) плазмы мощность тепла по электронному каналу почти на порядок меньше ра При этом не обнаружено заметного влияния расширителя на электронной температуры и, соответственно, мощность поте) на временах

10. Наиболее вероятной причиной расхождения экспериме значений температуры электронов и результатов расч< одномерной модели является наличие радиального г электронной температуры в ловушке вследствие эамагн поперечной электронной теплопроводности.

11. Проведенные эксперименты позволили получить физическую картину удержания плотной высокотемпературной ДАЛ на уровне параметров пТ=3*10 1см Зсек, Те+Т\=1кэВ.

1овные_£ез£ЛЬтаты ЯИСсе2тации_оп^бликованы_в_ga6oTax:

ов H.И., Житлухин A.M., Сафронов В.M., Скворцов Ю.В. ура ионов в потоках мощных электродинамических ¡лей. Физика плазмы, 1985, т.11, вып.2, с.201-205. олкновительная ударная волна в сверхзвуковом плазменном : J?=l. Письма в ЖЭТФ, 1984, т. 39, 16 5, с. 205-207. Авт.: шов, А.М.Житлухин, В.М.Сафронов , В.В.Сиднев, Ю. В. Скворцов, [ов Н.И., Лазарев B.C., Сиднев В.В., Шевченко В.Ф. гание аномальных npcteccoB иа фронте бесстолкновительной волны. Препринт ИАЭ-4167/7, И.: 1985, 8с. Lpov N.I., Zhitlukhin A.M., Safronov V.M., Sidnev V.V.,, 5V Yu.V. Elektrodinamic accelerators use for high tempera-jsma production. In: Contributed Papers of 15th Europ. n Contr. Fus. and Plasma Phys., part 3,Dubrovnilc, 1988, 1096.

/лентная продольная ударная волна в замагничекной бесстоп-пьной плазме. В сб.: Взаимодействие излучения, плазменных к иных потоков с веществом: Материалы межотраслевой научно-ской конференции. М.: ЦНИИатоминформ, 1984, с.22-24. .И.Архипов, В.А. Дхавахиавилх, AJМ.Житлухин, И.К.Конкашбаев

кция и удержание высокотемпературной плазмы с ß=l в длинной бочнок ловушке. В сб.: 7-я Всесоюзная конференция по ным ускорителям и ионным инжекторам: Тезисы докладов. , 1989, с,165-168. Авт.: Н.И.Архипов, A.M. Житлухин, ронов, В.В.Сиднев, Ю.В.Скворцов

>жание плотной высокотемпературной плазмы с ß=l в длинной

бочной ловушке. В сб. : Труды всесоюзного совещания по

и ловушкам. М.: Минатомэнергопром, 1990, с.91-96. Авт.:

ипов, А.М.Житлухин, В.М.Сафронов, В.В.Сиднев, Ю.В.Скворцов.

>енностм инжекции плазменных потоков в длинную антипробоч-

вушку. В сб.: Труды всесоюзного совещания по открытым

м. М. : Минатомэнергопром, 1990t, с.97-103. Авт.: Н.И.Архи-

М.Житлухин, В.М.Сафронов, В.В.Сиднев, Ю.В.Скворцов.

i

1мика температуры в длинной антипробочной ловушке.

Труды всесоюзного совещания по открытым ловушкам. М. : юнергопром, 1990, с.104-108. Авт.: Н.И.Архипов, глухин, В.М.Сафронов, В.В.Сиднев, В.В.Скворцов.