Инжекция и удержание плотной высокотемпературной плазмы в бета=1 в длинной антипробочной ловушке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Московский Ордена Трудового Красного знамени Физико-технический институт

На правах рукописи

АРХИПОВ Николай Иванович

УДК 533.9.16

ИНЖЕКЦИЯ И УДЕРЖАНИЕ ПЛОТНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С /3=1 В ДЛИННОЙ АНТИПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ

(01.04.03 - физика и химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1992.

РабОГЗ зь'погченг в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований.

Мдучный руководитель

ф::эико-математических наук СКВОРЦОВ Ю.В.

Официальные оппоненты: ДОКТОР физико-математических наук КОВАЛЬСКИЙ Н.Г.

кандидат физико-математических наук ПАНОВ Д.А.

Ведущая организация - Институт ядерной физики СО АН СССР.

Защита диссертации состоится "29" Л^СЛ-Х 1992г. часов 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, Московская область. Институтский переулок, д.9, МФТИ, Специализированный Совет К 063.91.09.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан "13" 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.и. л

ЧУБИНСКИЙ Н.П.

Общая_ха|эактеристика работы.

Изучение удержания плотной высокотемпературной плазмы в ловушках с остроугольной геометрией магни-.нсго поля является перспективный направлением исследований по у..-- -ляемопу термоядерному синтезу (УТС). Одной из особенностей тг... . систем является большая скорость потерь энергии в щели ло:./\лкг.. Яля изучения удерживающих свойств данной ловушки чо ргеозлу высокотемпературной плазмы мощность инжекции должна на:с. гься на уровне нескольких гигаватт. Ранее в качестве стол. мощных источников плазмы использовались 8-пинчи и мощные лазеры, облучавшие твердотельные мишени. •■..•.г ,

В данной работе для заполнения длинной антипробочной ловушки (ДАЛ) применялись импульсные электродинамические ускорители плазмы. Современные плазменные ускорители позволяют получать _ сгустки плазмы с плотностью п=10^-1016см 3, направленной скоростью v=10 см/с, величиной и Р= 1, полным энергосодержанием Я= 100 кЛж. При инжекции потоков через осевые пробки и столкновении их в центральной части ловушки возможно создание "стационарной" 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 определяется толщиной переходного слоя между незамагниченной плазмой и внешним магнитным полем. Возможность образования динамического скин-слоя с толщиной меньше ионного ларморовского радиуса, в случае когда электроны в ловушке бесстолкновительны, в значительной мере определяет перспективность ловушек с остроугольной геометрией магнитного поля в качестве термоядерных систем.

При создании в длинной антипробочной ловушке г. лаэмы с температурой в несколько кэВ существует опасность ее оыстрого охлаждения вдоль магнитного поля эа счет конвективного обмена горячих электронов из объема ловушки и холодных электронов, эмиттированных со стенки вакуумной камеры. Исследуемая в данной работе возможность предотвращения столь быстрых потерь тепла по электронному каналу с помощью расширителей магнитного потока является актуальной для открытых ловушек различных типов.

Целью_£аботы являлось:

- экспериментальное исследование инжекцки сверхзвуковых плазменных потоков с р=1 в длинную антипробочную ловушку с целью достижения мощности мнжекции порядка десяти гигаватт;

- исследование удержания плотной высокотемпературной плазмы с р-в длинной анткпробочной ловушке;

- изучение охлаждения плазмы в ловушке и влияния расширителей I мощность потерь тепла по электронному каналу.

1. Впервые обнаружены режимы работы плазменных ускорителей,

„16 -3

котори:: потоки плазмы с плотность» = 10 см , направленно.)

У- -у

сксросгьа, ,,ке превышающей 5*10 см/с, температурой Те = 100 эВ, = 400эВ и величиной $ плазмы около 1 с эффективностью Т| 50% транспортируются через осевую магкмтную лробку (с магнитным пс.гвн дс 40 кГс) и область с остроугольной геометрией 1.:и'ь итИфГС поля ДАЛ. • 6 ¿^СПврумсктах по заполнению ДАЛ с помощью встречных потоков ПЛ.Й 3/1Ь/ {Первые продемонстрирована возможность создания в ДАЛ

16 -3

:1 л"ого образования с плотностью п=(1.5-2)*10 см ,

18 -1

глг< плотность» N = 10 см , температурой 1 кэВ, (3=1,

энергосодержанием И=(30-40)кДж и удержания его в течение прем*гутка' времени, превышающего в четыре раза время свободного ргстеч-г.:-.::.-: ионов.

3. Ьг.ерЕкз обнаружена асимметрия потока плазмы, вытекающей в колыдев;,то щель, от7н>.осительно сепаратрисы магнитного поля, что

,, свяде^гепьствует о зависимости толщины переходного слоя от его протяжённости» '

4. Ис£!$е'Де>ван£< "механизмы потерь тепла из длинной антипробочной ловушки ^как с расширителем магнитного потока, так и без него. ПокЙдгшо, что на стадии удержания незамагниченной {(3=1) плазмы

мощность потерь тепла по электронному каналу почти на порядок меньше расчетной.

Практическая ценность_работы >ч,-:И .

X. Определены условия и осуществлена эффективная (Т)=Ю%]* инжекция высокоэнергетичных потоков плазмы с (3=1 в длинную аиткг;робочную ловушку. 1 • • •. •

2. Исследование удержания плотной высокотемпературнойг Я.пг.змы в ДЛЛ представляет практический интерес при разработке нызых термоядерных систем с магнитным удержанием.

3. Использование расширителя магнитного потока для гр. '.г быстрого охлаждения высокотемпературной плаэиь

интерес при исследовании открытых яагкитных типов.

1. Основные результаты исследований по инжекцик '.-/ковш;

плазменных потоков в длинную антипроб очну-с ловуи.:су,

,„16 -3

показывающие, что потоки плазмы с плотностью .1-10 см ,

7

направленной скоростью v=5*10 см/сек, температурой Те=100эВ, Т^=400эВ, величиной Р=1 эффективно(Т}=50%) траис.сртируются через осевую пробку ДАЛ с магнитным полем до 40кГс . область с остроугольной геометрией магнитного поля (КАСП). Максимальное энергосодержание потоков в центре ловушки составляло 25-30кДж, что соответствует общей эффективности системы инжекцим =10%.

2. Результаты эксперимента по созданию и удержанию плотной высокотемпературной плазмы с р=1 в объеме длинной антипробочной ловушки, показывающие, что:

а) при столкновении инжектированных потоков в объеме ловушки

создается плазменное образование с плотностью

16 —3 18 —1

п=1.5-2*10 см , погонной плотностью N=10 см ,

температурой Те+Т\=1кэВ, величиной (3=1, энергосодержанием

30-40 кДж.

б) в режиме с открытыми кольцевыми щелями (пробочное отношение к=1) время жизни плазмы Т=4мкс определяется временем продольного растекания ионов

в) в режимах с удержанием (к>1) поперечная термоизоляция плазмы в ДАЛ достигается при обеспечении эффективного зазора между плазменным цилиндром и боковой стенкой лайнера более

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

г) при обеспечении поперечной термоизоляции время жизни плазмы

Т^ определяется продольными потерями в щели лов>.:;к>{. Максимальное время жизни Тн=11.5мкс к 4 раза превышает ьримя свободного растекания ионов.

д) время удержания частиц Т^ в ДАЛ увеличивается с ростом пробочного отношения к. Максимальное Т^=20мкс соответствует средней эффективной ширине щели ловушки

е) в кольцевой щели ловушки существует асимметрия потока вытекающей плазмы относительно сепаратрисы магнитного поля, что свидетельствует о зависимости толщины переходного слоя

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 : :икает распределенный в пространстве электрический по-. ал с максимальным значением в кольцевой щели, б^; л к амбиполярному.

б) мощность потерь тепла из ловушки по электронному капа. ниже расчетной почти в 10 раз.

в) отсутствие расширителя не оказывает заметного влияь.. . на мощность потерь электронного тепла из центра ДАЛ в течение времени удержания незамагниченной плазмы 1ы=20мкс.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на:

1. Всесоюзных совещаниях по физике плазмы и УТС в г. Звенигороде в . 1987 и 1990 гг.

2. VI <к, VII Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и

инжекторам (Днепропетровск, 1986 ), (Харьков, 1989) . ¿..'11/ Европейской конференции по физике плазмы и УТС (Дубровник,1988)% 4.. XII Международно;; конференции по физике плазмы и УТС (Ницца,1988).

5. Ьсесоюзньп совещания:: по открытым ловушкам (Сухуми,апрель,1989)

,октябрь1989).

6. НК^^мт, 1984) и ЗУ(Фрунзе, 1990) межотраслевых конференциях

!робл".мам преобразования энергии и взаимодействия излучения

с веществом.

Публикации:

По материалам диссертации опубликог'ано 13 печатных работ.

С тц£кт£ра_и_объем_диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех содержит 112 страниц машинописного текста, литературных ссылок из 89 наименований, рисунками.

22_2в2д£Цй!! обсуждаются перспективы использования ловушек с остроугольной геометрией для удержания термоядерной плазмы, сформулированы основные проблемы, возникающие при использовании открытых ловушек такого типа.

Приводится обзор основных теоретических и экспериментальных работ по удержанию плазмы в открытых антипробочных ловушках. Обращается внимание на то, что основная масса публикаций по таким ловушкам посвящена исследованиям переходного слоя между плазмой с ^=1 и удерживающим магнитным полем и, соответственно, ширины щели и потерь частиц из объема ловушки. В теоретических исследованиях оценки толщины скин-слоя в варьировались от 2ре {ре~электронный ларморовский радиус) в ранних работах Роэенблюта и Фирсова до нескольких ионных ларморовских радиусов р ^ в работах, учитывавших аномальную диффузию при развитии дрейфовых неустойчивостей с конечный порогом возбуждения. В экспериментальных работах возможность получения ширины магнитной щели меньше р^ продемонстрирована лишь в нескольких случаях, в основной»,.марсе экспериментов получены оценки размеров щели, превыша^ш.^ .Р^-,. Отмечается, что в конце семидесятых годов была р^зрд^ртана самосогласованная модель удержания плазмы в длинной антирробо^ной ловушке, согласно которой возможно образование динамического скин-слоя, толщина которого выражается формулой 6=0. Зр (Ь - длина ловушки, Ае - длина свободного пробега эл^т'ронов, а-коэффициент порядка единицы). Таким образом, минимальное значение магнитной щели, согласно этой теории, электроны в ДАЛ бесстолкновительны.

г;

глав и заключения, включающих список иллюстрирована 38

Проблема удержания тепла в ловушках с остроугольной геометрией магнитного поля ранее рассматривалась лишь в нем: )Гочиспенных работах. Между тем проблема тепловых потерь : ) !тся все более важной по мере повышения температуры плазмы.

;^:оядерных параметрах потоки энергии из ловушки в районе

9 2

щели оцениваются в 10 Вт/см , и у стенки должен .л сл( I: лэкотемпературной ллазмы с нулевой работой э„\ эктрочоь. В этом случае возможно быст рое охлаждение л ловушке за счет конвективного обмена горя чих электронов ; '.чушки и холодных электронов из пристеночной плазмы.

. г »-етическое время жизни плазмы из-за быстрого охлаждения :ли ;.'". ов нонет оказаться значительно меньше времени удержания Для существенного уменьшения тепловых потерь в посованной модели ДАЛ было предложено сильно расширять '.з .псвушьн поток плазмы в области между щелью и стенкой. 1с • идея состояла в том, что в бесстолкновительном случае в ра.:: :.-..теле должна возникать популяция электронов, запертых между на ::--ной пробкой, которая не пускает их в ловушку, и падающим о! ' .-.генки электрическим потенциалом плазмы. По мнению авторов, с появлением в расширителе фракции запертых э..>?ктронов электрический потенциал плазмы становится распреде.' иным в пространстве с максимальным значением в районе кольцеы к щели.

3

Показано, что при достаточно большой степени расширен),- -~ю , потенциал плазмы в ловушке относительно стенки фо ст.и.-ьится порядка амбиполярного, при этом падение потенциала в расии^нтеле

ф(г) происходит логарифмически до ф(г)=Т /е, а затем спадает как

-4/3 е

к ' . По сделанным оценкам применение расширителя должно

уменьшать поток тепла из ловушки почти на порядок.

Далее отмечается, что для экспериментальной проверки

самосогласованной модели удержания мощность инжекции должна

находиться на уровне нескольких гигаватт. Обосновывается

применение в настоящем эксперименте для решения данной проблемы

импульсных плазменных ускорителей с целью изучения свойств ДАП по

распаду высокотемпературной плазмы, образующейся после

столкновения встречных плазменных потоков в центре ловушки.

В заключительной части введения определена цель

диссертационной работы, кратко изложено ее содержание,

сформулированы защищаемые положения.

Первая_глава посвящена описанию экспериментальной установки

и методов диагностики высокотемпературной плазмы, использовавшихся

в настоящей работе.

б

экспериментальный стенд состоял из двух коаксиальных плазменных ускорителей с импульсным напуском газа, длинной антипробочнсэй Ловушки и двух систем транспортировки плазменных потоков от ускорителей до ловушки, представляющих из себя плазмопроводы с профилированным по ялкне продольным магнитным полем. Ускорители запитывались от конденсаторных батарей емкостью по 1152мкФ. Напряжение на конденсаторных батареях в ходе экспериментов варьировалось от 20 до 33 кВ. Начальная индуктивность разрядного контура составляла 18нГ. Рабочий газ (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 величиной до 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 камеры соединялись плазмопроводами. Запуск ускорителей осуществлялся одновременно, и столкновение потоков происходило в центральном сечении ловушки.

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

Разрядный ток и напряжение на электродах ,,ускррителеч измерялись с помощью поясов Роговского и омических делителе»:

Внутри лайнеров в непосредственной близости от. стенки

• '.'ПК.'

устанавливались магнитные зонды, представляющие собой плоские

2 ■») ■ катушки с поперечным сечением 1x10мм . Одновременно использовалось

до 16 зондов. Они располагались через 10-50 см по всей длине

- л .

системы. По сигналам пристеночных зондов определялось изменение внешнего по отношению к плазменному потоку магнитного поля,.ДВ=В-В<:1 (Во~ начальное поле в отсутствие плазмы), а по временному сдвигу сигналов зондов, расположенных в различных сечениях плаэмопровода, -скоростные характеристики потоков. Распределение магнитн::ол~." в плазме В.(г,Ъ) исследовалось с помощью миниатюрных зондов. По измеренным значениям Ав и В^ газокинетическое давление плазмы.

п(Те+Т1) = (Во+АВ)^ -

Для исследования пространственного распределения гк еягкал-' плазмы в расширителе использовался электрический зонд, измерявший

плавающий потенциал. .'абочей 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 ст<-нке расширителя и могли без нарушения вакуума перемещаться от кольцевой щели ДЛЛ до боковой стенки вдоль силовых линий магнитного поля.

Динамика электронной температуры и плотности исследовались при помощи методики томсоновского рассеяния лазерного излучения. Источниками света служили два рубиновых лазера с энергией светового импульса 2 Дж, длительностью 30 нсек. Один лазер использовался для контроля повторяемости параметров плазмы от разряда к разряду, время его запуска не изменялось. Второй лазер использовался для исследования динамики параметров плазмы, время его запуска варьировалось. Температура электронов оценивалась также по относительной интенсивности неразложенного в спектр рентгеновского излучения плазмы, прошедшего через фильтри различной поглощающей способности. Для регистрации рентгеновского излучения использовался двухканальный сцинтилляционный детектор с набором поглощающих фильтров.

Зависимости нейтронного выхода N(t) и интенсивности

нейтронного излучения J(t) от времени определялись с помощью

сцинтилляционных детекторов. Для «\:следования пространственного

распределения интенсивности не ¡i-i. - того излучения применялся

нейтронный коллиматор. Он предсташ собой канал диаметром 130 мм

и длиной 500 мм в блоке замед.1 ;я. В качестве замедлителя

использовался слой воды толщино оо мм. При расстоянии до

источника 70 см пространственное р _.иение коллиматора сос 1<ляло

20 см. ',,>

2'

Скоростной напор плазменных .оков pv /2 регист]. ;лся датчиком давления. Чувствительным oj.- --.гитом в нем служили кч

из пьезокерамики ЦТС-19. Временное pj«решение детектора сс. ,о

2 мкс.

Полная энергия плазменных потоков, простраж распределение энергии плазмы, вытекающей в кольцевую поперечные потери тепла из плазмы на стенку лайнера кэг.-методом интегральной калориметрии.

Для регистрации сигналов магнитных и электрических з.: i., нейтоочпых и рентгеновских датчиков использовались цифр»,, осциллографы С9-8, которые были соединены с персоналы.!:« KO.inL.j-i с ¿'ом типа JBf*) pC/fiít. Использование персонального компьютера

озволлло с помощью специальных программ обработки сигналов эучать картину поведения плазмы в ловушке, получать значения аиболее важных параметров плазмы и их динамику во времени епосредственно в десяти минутном интервале между отдельными усками установки.

52_21°Е2!!_С23§ё изложены результаты исследований инжекции ллзненных потоков в длинную антипробочную ловушку в согласованных режимах работы ускорителя, при его различных модификациях.

В первом параграфе описываются исследования параметров

:верхзвуковых плазменных потоков, генерируемых электродинамическим

скорителем, при транспортировке их в цилиндрическом

[лазмопроводе, заполненном однородным магнитным полем. Показано,

[то изменяя напряжение на батарее и начальную массу рабочего газа

южно варьировать направленную скорость плазменного потока Я от 7 7

1*10 см/с до 8*10 см/с. При этом значения числа Маха потоков !=у/(5^3*кТ/М^)(М^-масса иона) во всех режимах примерно >динаковы и составляли М=2, поскольку ионная температура в сгустке •акже возрастала с увеличением скорости потоков. В то же время [исло Маха уменьшалось по длине струи, поскольку направленная гкорость плазмы достаточно резко спадала по длине головной части ютока. Дисперсия направленной скорости приводила к продольному 5астеканик> потока и снижению его погонной плотности в процессе транспортировки.

Полная энергия (кинетическая и тепловая) незамагниченной :р>0.9) головной части потока не превышала ЗОкДж, что значительно 1еньше полного энергосодержания потока Х- ЮОкДж, измеренного штегральным калориметром. Такое расхождение объясняется наличием

■ I

5амагниченнои тыловой части потока, энергосодержание которой тревышало энергию головной части потока.

>'Во втором параграфе описывается исследование сжатия потоков, три транспортировке их в сужающемся коническом плазмопроводе с тарастающим по длине магнитным полем. Определены степени сжатия, три которых происходит полная остановка потока, диссипация его )алравленной энергии в тепловую и быстрые ее потери на стенки пайнера. Показано, что сильная ударная волна, приводящая к диссипации кинетической энергии сгустка и его быстрому замагничиванию возникает в сечении плаэмопровода, где число Маха ютока приближается к единице. Снижение числа Маха в головной 4асти потока до единицы происходило за счет нагрева плазмы при торможении сгустка в нарастающем магнитном поле. На основе проведенных исследований подобраны параметры длинной .штипробочнои

О

лопушки и конических плазмопроводов для транспортировки плазменны сгустков от ускорителя до ДАЛ.

В третьем параграфе приведены результаты исследований п инжекции в ДАЛ плазмы в режимах работы ускорителя с высоко

7

направленной скоростью потоков v>5*10 см/сек. При прохождени потоком области КАСПа обнаружено разделение замагниченной незамагниченной плазмы в головной части сгустка. Полная энерги инжектированной в ловушку плазмы составляла не более 20 кДж. Пр транспортировке плазмы через центральный соленоид ДАЛ окол половины полного энергосодержания сгустка терялись попере магнитного поля на стенку лайнера. На основе проведенных измерени сделан вывод о том, что низкая эффективность инжекции (1]<3%) высокие поперечные потери энергии при пролете инжектированног сгустка через центральный соленоид ловушки связаны с низким число Маха потока М=2 на выходе ускорителя.

В четвертом параграфе описаны меры, принятые по повышенм числа Маха потоков на выходе ускорителя. Показано, что режимов большим числом Маха М>3 и, соответственно, наилучше эффективностью инжекции удалось достичь при относительно невысоки

7

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

параметры потоков плазмы, инжектированных в ловушку через осевы

пробки с магнитным полем до ЗОкГс и область КАСПа: полно

энергосодержание. потока И=25-30кДж, что соответствуе

16 — 3

эффективности инжекции Г)>10%, плотность плазмы п=2*10 см

17 -1

погонная плотность потока N=6*10 см , температура плазм Те=100эВ, Т\=400эВ, величина Р=1. В результате проведении исследований удалось обеспечить мощность инжекции плазмы в ДАЛ о двух ускорителей 12-20ГВТ, что в 3-4 раза превышает ожидаему мощность потерь плазмы из ДАЛ. Таким образом, удалось обеспечит инжекцию потоков плазмы с параметрами, необходимыми для проведени экспериментов по исследованию общих закономерностей удержани частиц и тепла в ДАЛ. Но для этого пришлось работать в режимах невысокой скоростью потоков у<5*10 см/сек и, соответственно температурой торможения ионов после столкновения Т^<1кЭв.

®_1Е21Ь£В_С555£ изложены результаты экспериментов по создани и удержанию плотной высокотемпературной плазмы в ДАЛ.

В первом параграфе рассматривается создание в объеме ДА высокотемпературного плазменного образования при столкновени встречных плазменных потоков в центральной части ловушки Показано, что и при отсутствии плотных тыловых частей потоков отсечённых осевой пробкой, столкновение происходит на длине

много меньшей кулоновской длины соударений ионов встречных

потоков. После столкновения сгустков в объеме ловушки возникает

плазменное образование с плотностью п=1.5-2*1016см погонной

18 — 1

плотностью N=1*10 см , температурой 1^=0. 8КЭВ, Те=250-300эВ, величиной (3=1, энергосодержанием Н=30-40кДж.

Во втором параграфе обсуждаются вопросы, связанные с энергетическим временем жизни высокотемпературной плазмы в ДАЛ при различных пробочных отношениях к. Для сравнения изучался распад высокотемпературной плазмы при к=1(магнитное поле в кольцевой щели меньше удерживающего магнитного поля в центральном соленоиде ловушки). Показано, что в этом случае время вытекания плазмы в открытые кольцевые щели составляет 4мкс, что близко к L/2vT^.

Отмечается,что в режимах удержания плазмы(к>1) существуют два канала потерь энергии: лсперек магнитного поля на стенку лайнера и вдоль магнитного поля в щели ловушки. Поперечные потери энергии начинали играть заметную роль при ослаблении начального магнитного поля в ловущке Во<14кГс. При этом эффективный зазор между стенкой лайнера и плазмой с Р=1 становился менее 10*р^. С увеличением магнитного поля Во<14кГс поперечные потери уменьшались до приемлемого уровня, при Во=18кГс не превышали 10% от полного энергосодержания плазмы, а энергетическое время жизни 1w определялось потерями энергии вдоль магнитного поля в щели ловушки. Максимальное время жизни 1w=11.5mkc составляло около 4-х времен свободного растекания плазмы L/2vT^.

В третьем параграфе из сопоставления измеренных значений Тw, и динамики ионной и электронной температур оценивались времена жизни частиц 1N и, соответственно, эффективные ширины щелей ДАЛ. Показано, что при обеспечении поперечной термоизоляции при Во<14кГс основным механизмом потерь энергии является уход частиц в щели ловушки. Время удержания частиц оценивалось также из непосредственных измерений погонной плотности частиц N(t) в центре ловушки. Максимальное время удержания частиц 1n=20mkc, что соответствует суммарной ширине всех щелей ловушки (количество которых по теории ДАЛ равно шести) около 6*р^.

В четвертом параграфе приведены результаты непосредственных измерений структуры потока плазмы, вытекающего в кольцевую щель ловушки. Показано, что хотя эффективная ширина кольцевой щели Д эф=|' -3*р ^, ы;гекающий поток плазмы имеет ширину i\=8*jp£, при этом плазма в кольцевой щели сильно замагничена (максимальное |3<0.3). Обращается внимание на наличие асимметрии вытекающего потока плазмы относительно сепаратрисы магнитного поля. Наличие

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

В пятом параграфе приведены оценки толщины переходного слоя плазмы в ДЛЛ, сделанные по итогам эксперимента. Отмечается, что толщина переходного слоя зависит от его длины вдоль силовых линий магнитного поля, о чем свидетельствует асимметрия потока относительно сепаратрисы в кольцевой щели. Проводится сравнение данных эксперимента с теоретическими моделями образования переходного слоя в ДАЛ. Показано, что экспериментальная оценка толщины скин-слоя находится между теоретическими значениями, предсказываемыми по классической и турбулентной модели образования скин-слоя, которые для параметров плазмы в нашем эксперименте отличаются менее чем в два раза.

2£125В125_Е5252 посвящена изучению потерь тепла из ДАЛ.

В первом параграфе представлены результаты измерений плавающего электрического потенциала в расширителе ловушки за кольцевой щелью. Показано, что при в расширителе возникает

распределенный в пространстве электрический потенциал, с максимальным значением в кольцевой щели, близким к амбиполярному. На основании измерений потенциала сделан вывод, что мощность потерь тепла по электронному каналу должна быть невысока и близ к 1 к мощности ионных потерь.

Во втором параграфе мощность потерь тепла из ловушки оценивалась по результатам исследования динамики электронной и ионной температуры в центре ловушки. Экспериментально полученные зависимости ионной и электронной температур плазмм в центре ловушки сравниваются с двумя расчетными моделями, отличающимися друг от друга типами краевых условий для электронной компоненты. Показано, что полученная в эксперименте температура электронов Те=250-300эВ, по крайней мере, в 1.5 раза превышает расчетные значения, что свидетельствует о снижении мощности потерь тепла из ловушки почти на порядок по сравнению с расчетной.

Также отмечается, что на поздних стадиях удержания ("ф>20мкс) в ловушке остается замагниченная плазма с низким значением и, температурой Те<100эВ, и система работает как газодинамическая ловушка.

В третьем параграфе описаны результаты эксперимента, в котором расширители вытекающего из ловушки потока плазмы отсутствовали. Показано, что динамика электронной температуры в

центре ловушки в течкние первых 20мкс удержания не изменяется. Из этого сделан вывод, что существует некий механизм подавления продольных потерь электронного тепла, который оказывает более существенное влияние на динамику электронной температуры в центре ДАЛ, чем наличие расширителя с распределённым в пространстве электрическим потенциалом.

Отмечается, что динамика электронной температуры замагниченной плазмы с низким и на поздних стадиях удержания (^>20мкс) резко отличается от эксперимента с наличием расширителя. Зафиксирован резкий спад электронной температуры от Те=100эВ до единиц электрон-вольт менее чем за Юмкс. Высказаны предположения

0 возможных механизмах столь резкого охлаждения электронов.

В четвертом параграфе обсуждаются результаты экспериментов по изучению потерь тепла из ДАЛ. Приводятся возможные причины расхождения экспериментально измеренной температуры электронов с данными расчетных моделей. Сделаны предположения о наличии радиального градиента электронной температуры, ответственного за возникновение уширенной замагниченной части скин-слоя, существование которой в кольцевой щели описано в четвертом параграфе предыдущей главы.

§_25£222Ё2Й!! приводятся основные результаты диссертационной работы.

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

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

< о

высокая эффективность (Т) = 104) инжекции плазменных потоков в

7

ловушку достигнуты в режимах со скоростями потоков v<5*10 см/сек.

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

и 16 -3

инжектированы потоки плазмы с плотностью п=2*10 см , погонной 17 —1

плотностью N=6*10 см , температурой Те=150эВ, Т^=400эВ, полным энергосодержанием №=20-25кДж, величиной (5=1. Суммарная мощность инжекции от двух ускорителей составила (12-20)*ГВт.

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

1 =8*102СМ. к

4. При встречном столкновении инжектированных потоков в объеме длинной антипробочной ловушки получено высокотемпературное

плазменное образование с полной энергией 30-40кДж, температурой

;тью

13

16 — з

Те+Т\=1КЭВ, плотностью п=(1.5-2)*10 см , погонной плотфстъю

N=10 сн , величиной В=1.

5. Показано, что приемлемый уровень поперечных потерь энер плазмы 0 <0.2*11/ осуществлялся при обеспечении эффективн поперечного зазора между высокотемпературной плазмой и боко стенкой лайнера <3>10*р^(р^-ионный ларморовский радиус по внешн магнитному полю);

6. При пробочном отношении к=1 время жизни плазмы составл Т=4мкс =Ь/2и определялось временем свободного вытекания открытые кольцевые шели ловушки. С увеличением пробочн отношения время жизни плазмы в ДАЛ возрастало до 11.5 мкс ко=2.1, а затем снижалось из-за возрастания уровня попереч потерь энергии до 0=0.5*1/.

7. Оценка динамики температуры, а также погонной плотно плазмы в центре ловушки позволили оценить время жизни час Х{1=18-20мкс, что соответствует средней ширине щели магнитной щ

в=Р£.

8. Из ассиметрии потока плазмы в кольцевой щели относител сепаратрисы магнитного поля и оценок величины потоков в кольце щель и осевую пробку сделан вывод, что толщина переходного ело центральном соленоиде в три раза превышает толщину скин-сло области' между кольцевой и осевой пробкой. Сравнение теоретическими моделями удержания плазмы в ДАЛ показало, экспериментальные значения толщины скин-слоя находятся ме оценками, полученными для ламинарной и турбулентной мол образования переходного слоя.

9. Оценки мощности тепловых потерь по динамике электро»

■I

температуры в центре ловушки позволяют сделать вывод, что стадии удержания незамагниченной (Р=1) плазмы мощность пот тепла по электронному каналу почти на порядок меньше расчеть При этом не обнаружено заметного влияния расширителя на дина!-электронной температуры и, соответственно, мощность потерь те на временах 'Ь<1ы.

10. Наиболее вероятной причиной расхождения экспериментал! значений температуры электронов и результатов расчетов одномерной модели является наличие радиального градие электронной температуры в ловушке вследствие замагничивг поперечной электронной теплопроводности.

11. Проведенные эксперименты позволили получить цел1 физическую картину удержания плотной высокотемпературной плаз!

\ 11 —з

ДАЛ на уровне параметров пт=3*10 см сек, Те+Т^=1кэВ.

Архипов H.И., Житлухин A.M., Сафронов В.M., Скворцов Ю.В. пература ионов в потоках мощных электродинамических орителей. Физика плазмы, 1985, т.11, вып.2, с.201-205. Бесстолкновительная ударная волна в сверхзвуковом плазменном оке с ß=l. Письма в ЖЭТФ, 1984, т.39, К 5, с.205-207. Авт.: .Архипов, А.М.Житлухин, В.М.Сафронов,< В.В.Сиднев, Ю.В.Скворцов. Архипов Н.И., Лазарев В.Б., Сиднев В.В., Шевченко В.Ф. ледование аномальных процессов на фронте бесстолкновительной рной волны. Препринт ИАЭ-4167/7, М.: 1985, 8с. Archipov N.I., Zhitlukhin A.M., Safronov V.M., Sidnev V.V., ortsov Yu.V. Elektrodinamic accelerators use for high temperate plasma production. In: Contributed Papers of 15th Europ. if. on Contr. Fus. and Plasma Phys., part 3,Dubrovnik, 1988, .093-1096.

Турбулентная продольная ударная волна в замагниченной бесстол->вительной плазме. В сб.: Взаимодействие излучения, плазменных и :ктронных потоков с веществом: Материалы межотраслевой научно-снической конференции. М.: ЦНИИатоминформ, 1984, с.22-24. г.: Н.И.Архипов, В.А.Джавахишвили, А^М.Житлухин, И.К.Конкашбаев :р.

Инжекция и удержание высокотемпературной плазмы с ß=l в длинной гипробочной ловушке. В сб.: 7-я Всесоюзная конференция по ^змеиным ускорителям и ионным инжекторам: Тезисы докладов, рьков, 1989, с.165-168. Авт.: Н.И.Архипов, A.M. Житлухин, i.Сафронов, В.В.Сиднев, П.В.Скворцов

Удержание плотной высокотемпературной плазмы с ß=l в длинной гипробочной ловушке, в сб. : Труды всесоюзного совещания по крытым ловушкам. М.: Минатомэнергопром, 1990, с.91-96. Авт.: И.Архипов, А.М.Житлухин, В.М.Сафронов, В.В.Сиднев, Ю.В.Скворцов.

Особенности инхекции плазменных потоков в длинную антипробоч-

1

ю ловушку. В сб. : Труды всесоюзного совещания по открытым вушкам. М. : Минатомэнергопром, 1990, с.97-103. Авт.: Н.И.Архи-в, A.M.Житлухин, В.М.Сафронов, В.В.Сиднев, Ю.В.Скворцов. Динамика температуры в длинной антипробочной ловушке, сб.: Труды всесоюзного совещания по открытым ловушкам. М.: натомэнергопром, 1990, с.104-108. Авт.: Н.И.Архипов, М.Житлухин, В.М.Сафронов, В.В.Сиднев, Ю.В.Скворцов.