Получение термоизолированной горячей плазмы в пробкотроне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

'■■■ 0 ЦП

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

На правах рукописи

СОКОЛОВ Владимир Георгиевич

ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРМОИЗОЛИРОВАННОЙ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ В ПРОБКОТРОНЕ

01.04.08 — физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

Новосибирск — 1994

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской Академии наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ДИМОВ —член-корреспондент РАН

Геннадий Иванович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ПОНОМАРЕНКО

Арнольд Григорьевич

• доктор физ.-мат. наук,

профессор, Институт лазерной физики СО РАН, г.Новосибирск

КУДРЯВЦЕВ Андрей Михайлович

•кандидатфизико-математических наук, старший научный сотрудник Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск

Ведущая организация: Институт ядерного синтеза

Российского научного центра "Курчатовский институт", г. Москва.

Защита диссертации состоится "17" марта 1994 г. в "Ц30" ч сов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 при Институ ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Повоспбирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СО РАН. Автореферат разослан " и " 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета академик РАН

В

■•-/«г

Б.В. Чирик

ЗБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1ктуальность работы. В современных исследованиях по управляемо-[у термоядерному синтезу внушительные успехи достигнуты на уста-овках типа "токамак". В концепции термоядерного реактора открытые овушкп остаются конкурентноспособным и альтернативным направле-нем. А современные инженерно-физические проработки нейтронных ге-ераторов на их основе для задач реакторостроения и материаловедения ыглядят весьма убедительно и привлекательно.

Широко распространенным сценарием получения горячей плазмы в скрытых магнитных ловушках предусматривается предварительное со-дание в них относительно холодной мишенной плазмы с последующим ахватом на этой плазме инжектируемых атомарных пучков или мощ-юго высокочастотного излучения. Мишенная плазма обычно получается 13 газоразрядных источников и имеет температуру ионов и электронов п ~ 10 эВ и плотность п ~ 1014 см~3. Источники расположены на про-юлыюй оси ловушки в запробочиой области, и плазма в виде струи затекает в пробкотрон. Параметры мишенной плазмы сильно влияют на 1ачалыюм этапе накопления, а высокая продольная электронная тепло-фоводность и, как следствие, низкая температура электронов в ловушке финципиально ограничивают энергетическое время жизни популяции •орячнх ионов. Поэтому возможность получения высокотемпературной лишенной плазмы с уменьшенной продольной теплопроводностью па источник открывает новые возможности в решении проблем накопления и юддержашгя горячей плазмы в открытых ловушках.

Основу настоящей работы составляют экспериментальные результаты по получению в пробкогронной геометрии магнитного поля горячей гермонзолированной плазмы из газоразрядного источника. Для изучения хараметров получаемой плазмы использовались различные дпагпостнче-:кне методики, сильно модернизированные под конкретные экспериментальные условия .

Основная цель работы. Цель диссертационной работы состоя-па в исследовании возможности получения в пробкотронной геометрии магнитного поля термоизолированной от источника горячей плазмы из низкотемпературного дугового квазистацнонарного источника.

Для этого необходимо было экспериментально реализовать течение плазменного потока с термобарьером между источником плазмы и магнитной ловушкой — пробкотроном.

В ходе изучения требовалось установить оптимальные условия тран< портировки и нагрева плазменной струи, а также найти способы дал! нейшего увеличения температуры .

Научная новизна и значимость работы. Впервые проведено ci стематическое исследование течения плазменного потока, геиерируемог дуговым квазистационарным источником с кольцевой геометрией газ< разрядного канала в неоднородном магнитном поле в условиях развитп неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (ПКГ).

Показано, что при бесстолкновительном течении в магнитную про( ку (dB/dz < В/\ц,\ц — длина свободного пробега ионов) при развит» НКГ во входной пробке ловушки плотность падает на порядок, и рег лнзуется потенциальный барьер для электронов. При этом уменьшаете электронная теплопроводность вдоль плазменного потока.

Продемонстрировано получение в пробкотроне горячей (T¡ ~ 1 кэЕ плазмы плотностью n ~ 3 х 1013 см-3 из низкотемпературного газе разрядного источника без применения методов дополнительного нагрев; Ионы нагреваются известным механизмом стохастического нагрева в р< зультате развития ПКГ.

Эксперименты по атомарной инжекцни в полученную плазму показг ли хорошее качество мишени и возможность перехода к квазистациона! ному режиму накопления и нагрева плазмы.

Предложен и экспериментально подтвержден оригинальный спосо увеличения напряжения на дуговом разряде источника, при этом ув< личплось выносимое в струю электрическое поле, и вследствие этот увеличилась температура ионов до ~ 1 кэВ.

При работе газоразрядного источника на дейтерии зарегистрирован! нейтроны, полный поток которых оценивается как ~ 108 нейт./с.

Практическая ценность. Получена горячая термопзолнрованна плазма в пробкотроне из низкотемпературного газоразрядного дуговс го источника.

Предложенная схема формирования мишенной плазмы будет испол1 зована в ловушке АМБАЛ-М (ЙЯФ СО РАН). Развитые в работе пред ставления позволяют обьяснить некоторые результаты, полученные рг нее на других открытых ловушках. Кроме того, результаты данных in следований могут быть использованы при проектировании новых устг новок или постановке экспериментов на уже существующих открыты магнитных ловушках.

Продемонстрированная возможность получения в геометрии откры-ых ловушек горячей и плотной плазмы с помощью низкотемператур-ых дуговых газоразрядных источников открывает принципиально но-ые подходы к проблеме получения стационарной горячей плазмы для азличных физических и технологических исследований.

Развитые в ходе работы диагностические методики и разработанные риборы и системы диагностики плазмы могут найти применение в экс-ериментах на различных установках для плазменных исследований по еме УТС.

Аппробация работы. Результаты работы докладывались: а Рабочем совещании по открытым ловушкам (г. Сухуми, 1991); а Всесоюзной конференции по ядерному синтезу и физике плазмы (г. Зве-нгород, 1991, 1992, 1993);

а Международной конференции по физике плазмы открытых ловушек Open Systems 93" (г. Новосибирск, 1993).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из Введения, етырех глав и Заключения. Текст диссертации изложен на 101 странице, ключая 30 рисунков. Список литературы содержит 78 наименований.

УДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается общая схема работы открытых ловушек в [денарии с использованием струй плазмы из газоразрядных источников, бсуждается актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов, и сочетании с обзором литературы по рассматриваемой теме кратко из-агается содержание представленной работы.

Первая глава посвящена проблемам начального накопления плазмы вязанным с низкой исходной электронной температурой в традиционном ценарни работы открытых ловушек с плазменными струями.

Второй параграф посвящен описанию феномена НКГ [6] в плазмен-ых струях. Природа этой неустойчивости связана с дифференциальным ращением плазмы в скрещенных Е ~ В полях — продольном магнитном радиальном электрическом. Развитие НКГ сопровождается возбужде-ием в плазменной струе электростатических волн, распространяющихся оперек ведущего магнитного поля и эффективно нагревающих ионы в труе [7].

• На основании обзора и знаний о HKF делается вывод о возможна сти получения термоизолированной плазменной струи, формулируютсз основные задачи исследований и предлагается схема эксперимента.

В главе 2 приведено описание адиабатической ловушю АМБАЛ-Ю [1, 8]. и ее модификации для экспериментов с TepMo6apbepoj [2, 3]. Между источником плазмы и ловушкой — пробкотроном добавле] участок однородного соленоидалыюго магнитного поля.

Второй параграф данной главы посвящен описанию диагностически: средств и методик, применявшихся для получения экспериментальны: данных. Внимание уделено многоканальной системе регистрации нзлуче ния плазмы на линии На с оперативной подстройкой чувствительности В оптическую систему непосредственно перед выстрелом вводится кали бровочпый импульс излучения [4]. Электронная температура в ловушк измерялась по рентгенопскому спектру излучения плазмы. Спектр сш: мался фотоэлектронным спектрометром с оригинальным электростатг ческим энергоанализатором [5].

В главе 3 вначале делается небольшой исторический экскурс к вс просу о термобарьере в амбиполярных ловушках[9], т. е. различной эле! тронной температуре вдоль плазменного шнура.

Во втором параграфе анализируется течение плазменной струи в п< однородном магнитном поле — течение в магнитную пробку. Пробк достаточно коротка, так что реализуется бесстолкновительный режн течения. Особенностью предложенного рассмотрения является налич! накачки энергии в поперечную скорость ионов, тем самым моделируете влияние НКГ. При параметрах плазмы, близких к экспериментальны! на срезе пробки можно получить значительное уменьшение плотнбез потока. Заметим, что без поперечной накачки максимальное уменьшен! плотности может достигать только двух.

В третьем параграфе по развитой вычислительной методике бых построены зависимости плотности и потенциала плазмы от величин поперечной накачки для конкретной геометрии магнитного поля уст новки АМБАЛ-ЮМ. Провал потенциала величиной <р, обусловленнь падением плотности плазмы во входной пробке, уменьшает электронну теплопроводность примерно в ехр(ар/Те) раз. Причем этот термобарь существует, естественно, при выполнении условия бесстолкновительн сти электронов на масштабе спада потенциала, т. е. d<p/dz > <р/\ее, г Лее — длина свободного пробега электронов.

В четвертом параграфе данной главы представлен экспериментальный материал по течению плазменного потока и формированию термобарьера. Измерения плотности, потенциала, электронной температуры вдоль плазменной струи показали наличие термобарьера во входной (по течению струи) пробке ловушки. На Рис.1 приведены основные результаты.

Рае. 1: Экспериментальные результаты на пробкотрогге АМБАЛ-ЮМ. Распределения вдоль осл установки: 1—магнитное поле, 2—плотность плазмы, 3—потенциал, 4—электронная температура.

В главе 4 первый параграф посвящен измерению параметров ионно-горячей плазмы в пробкотроне. Наличие термобарьера и нагрев на НКГ приводит к получению в ловушке плазмы плотность п > 3 х 1013 см-3 с температурой ионов Ti ~ 0,65 кэВ и энергетическим временем жизни Те > 150 мкс. Температура ионов вычислялась из функции распределения

ионов по скоростям, которая получалась из доплеровского контура свече пня линии На- Контур свечения имеет гауссовый вид, т. е. ионы имею по поперечным скоростям максвелловскпй вид функции распределения.

В заключение этого параграфа приведена диаграмма энергобалансе Дрейф в скрещенных Е х В полях преобразует малую часть энерги:

10%), выделяющейся в дуговом разряде (мощность 1 МВт [7]), в энер гню дифференциального вращения плазменного столба. Это нращени при определенных условиях оказывается неустойчивым. В результат развития НКГ происходит генерация электростатических волн, энерги вращения плазмы переходит в энергию волновых пакетов. Такие электрс статические волны эффективно взаимодействуют с ионным компонента — реализуется режим стохастического нагрева ионов с темпом нагре ва ~ 5 эВ/мкс. Ионы на столкновениях передают свою энергию боле холодным электронам, от которых она по каналу электронной теплопрс водности частично возвращается в дуговой разряд, а частично вьшоенте на плазмоприемиик.

Во втором параграфе описаны эксперименты по атомарной инжекци] интенсивных пучков в полученную плазму. Популяция горячих ионов кс пится в течение всего импульса инжекцпи (200 мке) и составляет к конц; ?гд > 3 х 1012 см-3, при средней энергии < £',• 5 кэВ. В этих экспе риментах наблюдаемый рост электронной температуры оценивался ка ~ 30 эВ. Измеренные для захваченных из пучков горячих попов време на рассеяния в конус потерь н торможение на электронах находятся согласии с временами, вычисленными по параметрам плазмы, измерен ными независимыми методиками.

Реализованные вакуумные условия также позволяют надеяться на пе реход к квазистационарному режиму работы при увеличении длительно сти инжекции.

В третьем параграфе приводятся результаты экспериментов по уве лпчению температуры нопов путем поднятия напряжения на дугопо: разряде источника. Увеличение напряжения и на 27% привело к рост, температуры попов в 1,5 раза.

При работе плазменного источника на дейтерии измеренная ионна температура достигла величины Т; = 930 эВ, и детектором фнкспрс вались нейтроны в количестве согласно приведенным оценкам. Полны: нейтронный поток оценивался как 108 нейт./с. Полученное соответствн между измеренным нейтронным потоком и его расчетным значение! дополнительно свидетельствует о достоверности измерений плотности функции распределения и температуре ионов.

В заключительном параграфе на основании полученного в данной ра

эте фактического материала рассматривается схема небольшого нейронного источника с использованием только пробкотрона и газоразряд-ых стационарных источников плазмы. К достоинствам проекта следует гнести простоту, относительную дешевизну и экспериментальное под-верждение физических основ работы устройства. При параметрах плазы полученных в эксперименте АМБАЛ-ЮМ и очень умеренных допу-[ениях можно получить полный нейтронный выход до 1016 пейт./с.

В заключении кратко перечислены основные результаты, предста-ленные в настоящей диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Экспериментально реализован способ получения в пробкотроне лазмепной мишени, термоизолироваиной от низкотемпературного (ква-1)стацнонарного газоразрядного источника.

2. Исследована транспортировка плазменной струи из дугового нс-очннка с кольцевой геометрией газоразрядного канала в магнитном оле пробочной конфигурации при развитии неустойчивости Кельвина-ельмгольца.

3. Показано, что при наличии термобарьера из низкотемпературного вазпстационарного газоразрядного источника в пробкотроне получается лазма плотностью до 3 х 1013 см-3, с ионной температурой до килоэлек-ронвольта без применения дополнительного нагрева.

4. Проведены эксперименты по атомарной инжекцни в такую плаз-|у, полностью подтверждающие хорошие качества полученной мнше-н. За 200 мкс инжекцни атомарных пучков водорода (Е ~ 17 кэВ,

~ 100 экв.А, захват 5%) наблюдался рост электронной температуры т 50 до 80 эВ (ДТе ~ 30 эВ). Диамагнитный сигнал нарастал в течение сего времени инжекцни. Достигнутые вакуумные условия в ловушке поволили сделать перезарядочные потери не определяющими время жизни ;онов горячей плазмы.

5. Экспериментально подтвержден оригинальный способ увеличения емпературы ионов за счет увеличения анодного падения напряжения на >азряде. Температура ионов пропорциональна квадрату напряжения, и

увеличение напряжения на 27% привело к полуторному росту темпер тури в пробкотроие.

6. Проведена серия экспериментов с работой дугового источника : дейтерии, зарегистрированы термоядерные нейтроны. Полный вых нейтронов оценивается как 10® нейтр./с, при температуре ионов Т; 1 кэВ.

7. Разработаны и успешно использованы существенно модифициг ванные методы и аппаратура диагностики плазмы: регистрация ипте сивности излучения плазмы па линии IIа для оценки электронной тем1 ратуры и анализ контура линии для измерения ионной температуры допплеровскому уширению; фотоэлектронный спектрометр мягкого рек гена для измерения электронной температуры с оригинальным элект! статическим адиабатическим энергоанализатором.

Основные результаты, представленные d диссертации, опу-тикованы в следующих работах:

1. Bender E.D., Chupriyanov V.E, Dimov G.I., Kabantsev A.A., Shun'ko E.V., Sokolov V.G., Taskaev S.Yu. The "AMBAL-U" experiment . // Proc. of the International School of Plasma Physics. — Physics of Alternative Magnetic Confinement Schemes. — Proceedings of the Workshop held at Varenna, Italy, 15-24 October 1990, p. 157-170.

2. Димов Г.И,, Кабанцев А.А., Кузьмин С.В., Соколов В.Г., Таскаев С.Ю. Термоизолироваипая мишенная плазма в пробкотроие . // Физика плазмы, 1993, т.19, вып.З, с.350-358 .

3. Гилев Е.А., Димов Г.И., Кабанцев А.А., Соколов В.Г., Таскаев С.Ю. Ионпо-горячая плазма в квадруполыюй ловушке. // Физика плазмы, 1993, т.19, вып. 10, с. 1187-1198 .

4. Белкин B.C., Соколов В.Г., Тимошин И.Я. Многоканальная система регистрации оптического излучения плазмы с оперативной подстройкой чувствительности. // ПТЭ, 1989, N4, с.192-194.

5. Белкин B.C., Соколов В.Г., Тимошин И.Я. Фотоэлектронный спектрометр с адибатичееккм электростатическим энергоаналнзато-ром. // Тезисы докладов VI совещания по диагностике высокотем-

. пературной плазмы (Санкт-Петербург 1993). Москва, ТРИНИТИ, 1993, с.81-82.

Дополнительная литература, цитируемая в тексте:

6. Кабанцев А. А., Таскаев С.Ю. Низкочастотная дрейфовая неустойчивость плазменной струи желобкового типа. // Физика плазмы, 1990, т.16, вып.6, с.700-709 .'

7. Кабанцев А.А., Таскаев С.Ю. О температуре ионов плазменной струн. // Физика плазмы, 1992, т.18, вып.5, с.635-643.

8. Димов Г.И. Эксперимент АМВАЛ-Ю. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 1988, вып.З, с.13-23.

9. Рютов Д. Д. Открытые ловушки. / / У ФИ, 1988, т.154, вып.4, с.565-614.