Особенности накопления горячей плазмы атомарными пучками в пробкотронахамбал тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ГБ ОН

/ "

• 1 ' ' " и ■

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера Сибирского Отделения Российской Академии Наук"

На правах рукописи

ТАСКАЕВ Сергей Юрьевич

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ АТОМАРНЫМИ ПУЧКАМИ В ПРОБКОТРОНАХ АМБАЛ

01.04.08 — физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск — 1996

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И.Будкер; СО РАН".

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Давыденко — кандидат физико-математических наук,

Владимир Иванович ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им.

Г.И.Будкера СО РАН", г.Новосибирск.

Кабанцев — кандидат физико-математических наук,

Андрей Анатольевич ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им.

Г.И.Будкера СО РАН", г.Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Сковорода — доктор физико-математических наук,

Александр Алексеевич РНЦ "Курчатовский институт",

г.Москва.

Князев — доктор физико-математических наук,

Борис Александрович профессор, Новосибирский государ-

ственный университет, г.Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ — Санкт-Петербургский физико-технически

ОРГАНИЗАЦИЯ институт им. А.Ф.Иоффе,

г.Санкг-Петербург.

Защита диссертации состоится ^сс/ХЛ^_ 1996 г.

в " 11 —" часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г.Новосибирск,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им.Г.И.Будкера СО РАН".

Автореферат разослан

«30»

Учёный секретарь диссертационного совета, академик

агъ/и:^-^ 1996 г.

Б.В Лириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшей задачей физики плазмы и правляемого термоядерного синтеза является получение и удержание шотной горячей плазмы и, в конечном итоге, создание термоядерного еактора. Одно из направлений решения этой задачи — амбиполярная диабатическая ловушка, обладающая рядом важных преимуществ по равнению с другими системами удержания. В РНД РФ "ИЯФ им. '.И.Будкера СО РАН" сооружается осесимметричная амбиполярная овушка АМБАЛ-М, на которой предполагается получить плазму с ысокими параметрами, МГД-устойчипуго в осесимметричной теометрии, совершенствовать формирование потенциальных барьеров и исследовать :оперечный перенос. В настоящее время на концевом пробкотроне этой становки проводятся эксперименты по получению и изучению стартовой лазмы, пригодной для дальнейшего квазисгационарного нагрева с омощью инжекций высокоэнергетичных атомарных пучков и путём вода СВЧ-мощности. Ранее накопление горячей плазмы атомарной нжекцией исследовалось на квадрупольном пробкотроне АМБАЛ-Ю в [ЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН.

Исследование накопления горячей плазмы в пробкотронах гомарными пучками имеет важное значение для создания генератора грмоядерных нейтронов на базе газодинамической ловушки.

Основные цели работы. Целью работы является изучение накопления зрячей плазмы в пробкотроне импульсной инжекцией лсокоэнергетичных атомарных пучков в предварительно созданную ишенную плазму и изучение возможности перехода к зазистационарному накоплению. В ходе экспериментов был обнаружен ;лый ряд неожиданных явлений, существенно влияющих на накопление >рячей плазмы. Основной целью работы стало изучение этих явлений — ¿еныления плотности мишенной плазмы при инжекции атомарных тов. "газовой самоизоляции" плазменной струи сопутствующим угоком быстрых атомов, значительного нагрева плазмы в пробкотроне юдольным электронным током.

Научная новизна и значимость работы. В концевом пробкогроне установки АМБАЛ-М получена мишенная плазма, позволяющая перейти к квазистационарному накоплению горячей плазмы. Импульсной инжекцией атомарных пучков экспериментально продемонстрировано начальное линейное накопление горячей плазмы.

Экспериментально обнаружены и впервые подробно исследованы такие явления, как уменьшение плотности мишенной плазмы при атомарной инжекции, "газовая самоизоляция" плазменной струи сопутствующим потоком быстрых атомов, значительный нагрев плазмы в пробкотроне продольным электронным током.

Практическая ценность работы. Реализация линейного накопления высокоэнергетичных ионов на мишенной плазме в концевом пробкотроне установки АМБАЛ-М с достаточно высоким темпом позволяет перейти к экспериментам по накоплению высокотемпературной плазмы с использованием квазистационарных атомарных пучков. Высокая электронная температура мишенной плазмы позволяет осуществить подогрев электронов на второй гармонике электронно-циклотронного резонанса введением СВЧ-мощности сооружаемого гиротронного комплекса.

В работе впервые даньг объяснения таким эффектам, как уменьшение плотности мишенной плазмы при атомарной инжекции, "газовая самоизоляция" плазменной струи сопутствующим потоком быстрых атомов, значительный нагрев плазмы в пробкотроне продольным электронным током. Эти эффекты при соответствующих условиях могут быть обнаружены или специально получены и на других плазменных установках.

Апробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, на Звенигородских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (г.Звенигород, 1987-1996), на V и VI Совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы (г.Минск, 1990; г.Санкт-Петербург, 1993), на Международной конференции по открытым системам удержания плазмы для термоядерного синтеза (г.Новосибирск, 1993), на VII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991), не XIX и XXII Международных конференциях по явлениям г ионизированных газах (г.Белград, 1989; г.Хобокен, США, 1995), на XXI Европейской конференции по физике плазмы и управляемом} термоядерному синтезу (г.Монпелье, 1994), на XV Международной конференции ло физике плазмы и исследованию физики управляемой термоядерного синтеза (г.Севилья, 1994).

л

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Текст диссертации изложен на 98 страницах, включая 48 рисунков. Список литературы содержит 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и даётся обзор структуры диссертационной работы.

В первой главе приводится краткий обзор работ в области открытых ловушек, описывается основной сценарий накопления горячей плазмы, исследуемый в работе, формулируются задачи необходимых исследований и приводится список используемых обозначений.

Во второй главе даётся описание установок АМБАЛ-Ю и АМБАЛ-М, основных средств диагностики плазмы и обсуждается точность определений параметров плазмы.

В третью главу включены результаты экспериментов на квадрупольном пробкотроне АМБАЛ-Ю.

Сначала приводятся результаты экспериментов по накоплению горячей плазмы инжекцией атомарных пучков в мишенную плазму, создаваемую четырьмя "кольцевыми" газоразрядными пушками, расположенными в запробочной области. Мишенная плазма характеризовалась низкой плотностью и низкой электронной температурой. Вследствие этого, захват пучков был мал, и газовые условия были плохие. Время жизни захваченных горячих ионов определилось перезарядкой на газе. Вкладываемая мощность, в основном, зыносилась из плазмы в виде перезарядных потерь, и плазма существенно те нагревалась.

Затем приводятся результаты экспериментов по накоплению горячей тазмы на плотной мишенной плазме, тенерируемой специально :озданной "щелевой" газоразрядной пушкой. Выяснено, что мишенная глазма хорошо описывается как дозвуковое течение плазменной струи до ыходной пробки и сверхзвуковое — после. Высокая плотность мишенной тазмы позволила захватить в пробкотрон значительную часть ¡нжектируемых атомов и сделать перезарядные потери несущественными. Тнжекция атомарных пучков приводила к накоплению горячей плазмы о достаточно высокой плотности (1,11013 см3). Выяснено, что по ведение зрячих ионов хорошо описывается классическими механизмами. Время мзни горячих ионов определяется рассеянием в конус потерь; яергетическое время — торможением в результате столкновений с тектронами. Изучена зависимость энергосодержания от мощности нжекции. Выяснено, что увеличение мощности инжекции ведёт к зеличению захваченной мощности, к нагреву электронов, к улучшению

газовых условий и, в конечном итоге, к увеличению энергосодержани горячих ионов быстрее, чем линейно. Но при имеющейся максимально] мощности инжекции полученное время жизни горячих ионов оказалос недостаточным для возможности перехода к квазистационарном накоплению.

В этой же главе описывается обнаруженная "газовая самоизоляция плазменной струи, позволившая существенно улучшить газовые у слови; Вблизи плазменного источника формируется окружающий плазму пото быстрых атомов, распространяющийся в направлении течения струи эффективно экранирующий плазму от поступления наружного газ; Приводится физическая модель её описания, подкреплённая оценками.

Четвёртая глава посвящена изучению обнаруженного "просветления — уменьшения плотности плотной мишенной плазмы при инжекци атомарных пучков. Приводятся экспериментальные результат] Рассматривается система уравнений двужидкостной магнитнс гидродинамики. Числено решается временная задача определен! параметров плазменной струи на оси при появлении в пробкогрм локальной популяции горячих ионов. Приводится сравнение результат» численного счёта с экспериментально измеренными. Даётся объяснен] данному эффекту. Определяются основные механизмы "просветления".

В результате этого рассмотрения было выяснено следующее. Горяч: захваченные ионы эффективно нагревают ионы мишенной плазмы, но : непосредственно, а через электроны. Нагрев приводит к увеличена потоковой скорости струи и, соответственно, к уменьшению плотное мишенной плазмы. Для удержания нагретых электронов в пробкогро увеличивается амбиполярный потенциал. Возросший градие потенциала приводит к более сильному ускорению вытекающих пробкотрона ионов. В начальный момент накопления увеличен амбиполярного потенциала приводит к торможению втекающих пробкотрон ионов, к уменьшению потока и уменьшению плотности, данных процессах оказывается важным вклад продольной электронн термосилы.

Пятая глава посвящена экспериментам на концевом пробкотрс установки АМБАЛ-М.

В первом параграфе приводятся экспериментальные результа исследования мишенной плазмы, позволяющей перейти квазистационарному накоплению горячей плазмы атомарной инжекци Наиболее важным параметром мишенной плазмы является её высо] электронная температура (50 эВ). Помимо того, что высокая электрон] температура обеспечивает медленное торможение захваченных горя1 ионов и, соответственно, ббльшее время их жизни, такая температура минимально необходимая для возможности ЭЦР нагрева. В пробкотр! формируется амбиполярный потенциал. На многих силовых лин> экспериментально зарегистрировано наличие термобары

-ермоизолирующего горячие электроны в пробкотроне от более холодных 5 транспортирующей области. На некоторых силовых линиях обнаружено >тсутствие термобарьера. Выяснено, что его отсутствие связано с юперечной диффузией и значительным продольным электронным током. 1риводятся результаты экспериментального исследования тока. С фивлечением моделей и численных расчётов обсуждается влияние ;начигельного продольного электронного тока на удержание и нагрев шазмы. Показывается, что поддержание высокой электронной емпературы в пробкотроне, в значительной степени, обеспечивается фодольным электронным током, причём, нагрев не является :лассическим джоулевым.

Во втором параграфе главы приводятся результаты накопления орячей плазмы в концевом пробкотроне установки АМБАЛ-М шпульсной инжекцией атомарных пучков в "горячую" мишенную итазму. Экспериментально продемонстрировано начальное линейное гакопление горячих ионов с темпом 2,5 1015 см'3 с'1.

В Заключении перечислены основные результаты, представленные в [иссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Исследовано накопление горячей плазмы в квадрупольном [робкогороне АМБАЛ-Ю импульсной инжекцией высокоэнергетичных томарных пучков в плотную мишенную плазму.

2. Обнаружена газовая "самоизоляция" плазменной струи. Найдено зизическое объяснение этого явления.

3. Экспериментально обнаружен, подробно исследован эффект просветления" — уменьшения плотности мишенной плазмы при [нжекции атомарных пучков. Проведено моделирование влияния горячей лазмы на течение плазменной струи. Выяснены основные механизмы ффекта "просветления".

4. В концевом пробкотроне установки АМБАЛ-М исследована мшенная плазма, позволяющая перейти к квазистационарному акоплению горячей плазмы. Изучено течение электронного тока и его лияние на удержание и нагрев плазмы.

5. Импульсной атомарной инжекцией получена популяция горячих онов с большим временем жизни » 2 мс). Экспериментально родемонстрировано начальное линейное накопление горячей плазмы с гмпом 2,5 1015 слг3 с'1.

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе,

опубликованы в следующих работах:

1. Кабанцев А.А., Соколов В.Г., Таскаев С.Ю. Уменьшение пло' мишенной плазмы при инжекции в пробкотрон атомарных пу1 Физика плазмы, 21 (1995) 775-783.

2. Таскаев С.Ю. Исследование влияния значительного электр< тока на получение мишенной плазмы в концевом пробк установки АМБАЛ-М. - Препринт ИЯФ 95-92, Новосибирск, И

3. Gilev Е.А., Dimov G.I., Kabantsev A.A., Sokolov V.G., Taskaev S.} Main AMBAL-Yu Experimental Results. - Proc. Int. Conf. on Plasma Confinement Systems for Fusion. Novosibirsk, 1993, p. 485-'

4. Akhmetov T.D., ...... Taskaev S. Yu et al. First stage experiments at t

system of axisymmetric tandem mirror AMBAL-M. - Proc. 21st Eur on Controlled Fusion and Plasma Physics, Montpellier, 1994, v.l, 449.

5. Bender E.D., Chupriyanov V.E., Dimov G.I., Kabantsev A.A., Shun'k Sokolov V. V. and Taskaev S. Yu. The AMBAL-U experiment. - Pr< School of Plasma Physics, Villa Monastero - Varena, Italy, Octofc 24, 1990, p. 157-170.

6S Кабанцев A.A., Соколов B.T., Таскаев С.Ю., Чуприянов В.Е. ] самоизоляция водородной плазменной струи. - VII Всеа конференция по физике низкотемпературной плазмы, Минск часть 3, стр. 67.

7. Belkin V.S., Bender E.D., Gilev Е.А.,......, Taskaev S. Yu et al First I

AMBAL-M Experiment. - Proc. Int. Conf. on Open Plasma Confi Systems for Fusion. Novosibirsk, 1993, p. 37-50.

8. Taskaev S.Yu. Influence of magnetically trapped hot ions on warm floating. - XXII Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. H USA, July 31 - August 4, 1995. Contr. Papers, 3, p.83-84.