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

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ нм. 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 наук

Новосибирск — 1994

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделення-Росснпской Академии наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ДИМОВ —член-корреспондент РАН

Геннадий Иванович Институт ядерной физики

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ПОНОМАРЕНКО — доктор физ.-мат. наук,

Арнольд Григорьевич профессор, Институт лазерной физики

СО РАН, г.Новосибирск

КУДРЯВЦЕВ —кандидат физико-математических наук,

Андрей Михайлович 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 "II30" часов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 при Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 030090, г. Новоснбнрск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СО РАН. Автореферат разослан "_ _Ж_" ^¿>6у* я. А % 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

академик РАН Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

»

Актуальность работы. В современных исследованиях по управляемому термоядерному синтезу внушительные успехи достигнуты на установках типа "токамак". В концепции термоядерного реактора открытые ловушки остаются конкурентносиособным и альтернативным направлением. А современные инженерно-физические проработки нейтронных генераторов на их основе для задач реакторостроения и материаловедения выглядят весьма убедительно и привлекательно.

Широко распространенным сценарием получения горячей плазмы в открытых магнитных ловушках предусматривается предварительное создание в них относительно холодной мишенной плазмы с последующим захватом на этой плазме инжектируемых атомарных пучков или мощного высокочастотного излучения. Мишенная плазма обычно получается из газоразрядных источников и имеет температуру ионов и электронов Т ~ 10 эВ и плотность п ~ 1014 см-3. Источники расположены на продольной оси ловушки в запробочной области, и плазма в виде струн затекает в пробкотрон. Параметры мишенной плазмы сильно влияют на начальном этапе накопления, а высокая продольная электронная теплопроводность и, как следствие, низкая температура электронов в ловушке принципиально ограничивают энергетическое время жизни популяцип горячих ионов. Поэтому возможность получения высокотемпературной мишенной плазмы с уменьшенной продольной теплопроводностью на источник открывает новые возможности в решении проблем накопления и поддержания горячей плазмы в открытых ловушках.

■ Основу настоящей работы составляют экспериментальные результаты по получению в пробкотронной геометрии магнитного поля горячей термонзолнрованной плазмы из газоразрядного источника. Для изучения параметров получаемой плазмы использовались различные диагностические методики, сильно модернизированные под конкретные экспериментальные условия .

Основная цель работы. Цель диссертационной работы состояла в исследовании возможности получения в пробкотронной геометрии магнитного поля термонзолнрованной от источника горячей плазмы из низкотемпературного дугового квазнстационарного 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 транспортировки и нагрева плазменной струи, а также найти способы дальнейшего увеличения температуры .

Научная новизна и значимость работы. Впервые проведено систематическое исследование течения плазменного потока, генерируемого дуговым квазистационарным источником с кольцевой геометрией газоразрядного канала в неоднородном магнитном поле в условиях развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (ПКГ).

Показано, что при бесстолкновительном течении в магнитную пробку (dB/dz < В/А,;, А,| — длина свободного пробега ионов) при развитии НКГ во входной пробке ловушки плотность падает на порядок, и реализуется потенциальный барьер для электронов. При этом уменьшается электронная теплопроводность вдоль плазменного потока.

Продемонстрировано получение в пробкотроне горячей (7} ~ 1 кэВ) плазмы плотностью п ~ 3 X 1013 см-3 из низкотемпературного газоразрядного источника без применения методов дополнительного нагрева. Ионы нагреваются известным механизмом стохастического нагрева в результате развития НКГ.

Эксперименты по атомарной инжекции в полученную плазму показали хорошее качество мишени и возможность перехода к квазистацнонар-ному режиму накопления и нагрева плазмы.

Предложен и экспериментально подтвержден оригинальный способ увеличения напряжения на дуговом разряде источника, при этом увеличилось выносимое в струю электрическое поле, и вследствие этого увеличилась температура ионов до ~ 1 кэВ.

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

Практическая ценность. Получена горячая термонзолнрованная плазма в пробкотроне из низкотемпературного газоразрядного дугового источника.

Предложенная схема формирования мишенной плазмы будет использована в ловушке АМБАЛ-М (ИЯФ СО РАН). Развитые в работе представления позволяют обьясннть некоторые результаты, полученные ранее на других открытых ловушках. Кроме того, результаты данных исследований могут быть использованы при проектировании новых установок или постановке экспериментов на уже существующих открытых магнитных ловушках.

Продемонстрированная возможность получения в геометрии открытых ловушек горячей и плотной плазмы с помощью низкотемпературных дуговых газоразрядных источников открывает принципиально новые подходы к проблеме получения стационарной горячей плазмы для различных физических и технологических исследований.

Развитые в ходе работы диагностические методики и разработанные приборы и системы диагностики плазмы могут найти применение в экспериментах на различных установках для плазменных исследований по теме УТС.

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ппедонии описывается общая схема работы открытых ловушек в сценарии с использованием струн плазмы из газоразрядных источников, обсуждается актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов, и в сочетании с обзором литературы по рассматриваемой теме кратко излагается содержание представленной работы.

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

Второй параграф посвящен описанию феномена НКГ [6] в плазменных струях. Природа этой неустойчивости связана с дифференциальным вращением плазмы в скрещенных Е ~ В полях — продольном магнитном и радиальном электрическом. Развитие НКГ сопровождается возбуждением в плазменной струе электростатических волн, распространяющихся поперек ведущего магнитного поля и эффективно нагревающих ионы в струе [7].

На основании обзора и знаний о НКГ делается вывод о возможности получения термонзолированной плазменной струн, формулируются основные задачи исследований и предлагается схема эксперимента.

В главе 2 приведено описание адиабатической ловушки АМБАЛ-10 [1,8]. и ее модификации для экспериментов с термобарьером [2, 3]. Между источником плазмы и ловушкой — пробкотроном добавлен участок однородного соленоидального магнитного поля.

Второй параграф данной главы посвящен описанию диагностических средств и методик, применявшихся для получения экспериментальных данных. Внимание уделено многоканальной системе регистрации излучения плазмы на линии На с оперативной подстройкой чувствительности. В оптическую систему непосредственно перед выстрелом вводится калибровочный импульс излучения [4]. Электронная температура в ловушке измерялась по рентгеновскому спектру излучения плазмы. Спектр снимался фотоэлектронным спектрометром с оригинальным электростатическим энергоанализатором [5].

В главе 3 вначале делается небольшой исторический экскурс к вопросу о термобарьере в амбнполярных ловушках[9], т. е. различной электронной температуре вдоль плазменного шнура.

Во втором параграфе анализируется течение плазменной струн в неоднородном магнитном поле — течение в магнитную пробку. Пробка достаточно коротка, так что реализуется бесстолкновнтельный режим течения. Особенностью предложенного рассмотрения является наличие накачки энергии в поперечную скорость ионов, тем самым моделируется влияние НКГ. При параметрах плазмы, близких к экспериментальным, на срезе пробки можно получить значительное уменьшение плотности потока. Заметим, что без поперечной накачки максимальное уменьшение плотности может достигать только двух.

В третьем параграфе по развитой вычислительной методике были построены зависимости плотности и потенциала плазмы от величины поперечной накачки для конкретной геометрии магнитного поля установки АМБАЛ-ЮМ. Провал потенциала величиной <р, обусловленный падением плотности плазмы во входной пробке, уменьшает электронную теплопроводность примерно в ехр(е(р/Те) раз. Причем этот термобарьер существует, естественно, при выполнении условия бесстолкновнтельно-сти электронов на масштабе спада потенциала, т. е. скр/йг > (¿>/!\ее, где Аее — 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 струн) пробке ловушки. На Рнс.1 приведены основные результаты.

i

Рис. 1: Экспериментальные результаты на пробкотроне АМБАЛ-ЮМ. Распределения вдоль оси установки: 1—магнитное поле, 2—плотность плазмы, 3—потенциал, ./—электронная температура.

В главе 4 первый параграф посвящен измерению параметров понно-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 7} ~ 0,65 кэВ и энергетическим временем жизни те > 150 мкс. Температура ионов вычислялась из функции распределения

ионов по скоростям, которая получалась из доплеровского контура свечения линии На- Контур свечения имеет гауссовый вид, т. е. ноны имеют по поперечным скоростям максвелловский вид функции распределения.

В заключение этого параграфа приведена диаграмма энергобаланса. Дрейф в скрещенных Е х В полях преобразует малую часть энергии (~ 10%), выделяющейся в дуговом разряде (мощность 1 МВт [7]), в энергию дифференциального вращения плазменного столба. Это вращение при определенных условиях оказывается неустойчивым. В результате развития НКГ происходит генерация электростатических волн, энергия вращения плазмы переходит в энергию волновых пакетов. Такие электростатические волны эффективно взаимодействуют с ионным компонентом — реализуется режим стохастического нагрева ионов с темпом нагрева ~ 5 эВ/мкс. Ионы на столкновениях передают свою энергию более холодным электронам, от которых она по каналу электронной теплопроводности частично возвращается в дуговой разряд, а частично выносится на плазмоприемннк.

Во втором параграфе описаны эксперименты по атомарной ннжекцни интенсивных пучков в полученную плазму. Популяция горячих ионов копится в течение всего импульса ннжекцни (200 мке) и составляет к концу пд > 3 х 10» см-3, при средней энергии < Е{ >~ 5 кэВ. В этих экспериментах наблюдаемый рост электронной температуры оценивался как ~ 30 эВ. Измеренные для захваченных из пучков горячих ионов времена рассеяния в конус потерь и торможение на электронах находятся в согласии с временами, вычисленными по параметрам плазмы, измеренными независимыми методиками.

Реализованные вакуумные условия также позволяют надеяться на переход к квазпетацнонарному режиму работы прн увеличении длительности инжекцни.

В третьем параграфе приводятся результаты экспериментов по увеличению температуры ионов путем поднятия напряжения на дуговом разряде источника. Увеличение напряжения и на 27% привело к росту температуры ионов в 1,5 раза.

При работе плазменного источника на дейтерии измеренная ионная температура достигла величины Т{ = 930 эВ, и детектором фиксировались нейтроны в количестве согласно приведенным оценкам. Полный нейтронный поток оценивался как 108 нейт./с. Полученное соответствие между измеренным нейтронным потоком и его расчетным значением дополнительно свидетельствует о достоверности измерений плотности, функции распределения и температуре ионов.

В заключительном параграфе на основании полученного в данной ра-

боте фактического материала рассматривается схема небольшого нейтронного источника с использованием только пробкотрона и газоразрядных стационарных источников плазмы. К достоинствам проекта следует отнести простоту, относительную дешевизну и экспериментальное подтверждение физических основ работы устройства. При параметрах плазмы полученных в эксперименте АМБАЛ-ЮМ и очень умеренных допущениях можно получить полный нейтронный выход до 1016 нейт./с.

В заключении кратко перечислены основные результаты, представленные в настоящей диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Экспериментально реализован способ получения в пробкотроне плазменной мишени, термоизолнрованной от низкотемпературного (ква-зн)стацнонарного газоразрядного источника.

2. Исследована транспортировка плазменной струн из дугового источника с кольцевой геометрией газоразрядного канала в магнитном поле пробочной конфигурации при развитии неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.

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

4. Проведены эксперименты по атомарной инжекции в такую плазму, полностью подтверждающие хорошие качества полученной мишени. За 200 мкс инжекции атомарных пучков водорода (Е ~ 17 кэВ, I ~ 100 экв.А, захват 5%) наблюдался рост электронной температуры от 50 до 80 эВ (АТе ~ 30 эВ). Диамагнитный сигнал нарастал в течение всего времени инжекции. Достигнутые вакуумные условия в ловушке позволили сделать перезарядочпые потерн не определяющими время жизни ионов горячей плазмы.

5. Экспериментально подтвержден оригинальный способ увеличения температуры ионов за счет увеличения анодного падения напряжения на разряде. Температура ионов пропорциональна квадрату напряжения, и

увеличение напряжения иа 27% привело к полуторному росту температуры в пробкотроне.

6. Проведена серия экспериментов с работой дугового источника на дейтерии, зарегистрированы термоядерные нейтроны. Полный выход нейтронов оценивается как 108 нейтр./с, при температуре ионов 7} ~ 1 кэВ.

7. Разработаны и успешно использованы существенно модифицированные методы и аппаратура диагностики плазмы: регистрация интенсивности излучения плазмы на линии На для оценки электронной температуры и анализ контура линии для измерения ионной температуры по допплеровскому уширеншо; фотоэлектронный спектрометр мягкого рентгена для измерения электронной температуры с оригинальным электростатическим адиабатическим энергоанализатором.

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы 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., Кабаицев А.А., Кузьмин С.В., Соколов В.Г., Таска-ев С.10. Термопзолировапная мишенная плазма в пробкотроне . // 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. Иопио-горячая плазма в квадрупольной ловушке. // Физика плазмы, 1993, т.19, вып.Ю, с.1187-1198 .

4. Белкин B.C., Соколов В.Г., Тимошин И.Я. Многоканальная снсте^ ма 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 аднбатнческим электростатическим эпергоаиалпзато-ром. // Тезисы докладов VI совещания по диагностике высокотемпературной плазмы (Санкт-Петербург 1993). Москва, ТРИПИТИ, 1993, с.81-82.

Дополнительная литература, цитируемая в тексте:

6. Кабанцев А.А., Таскаев С. 10. Низкочастотная дрейфовая неустойчивость плазменной струи желобкового типа. // Физика плазмы, 1990, т.1С, вып.6, с.700-709 .

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

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

9. Рютпов Д.Д. Открытые ловушки. // УФН, 1988, т.154, вып.4, с.565-