Стабилизирующие магнитные элементы амбиполярных ловушек тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

. I.

I -

Ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции Институт атомной энерши им. И.В. Курчатова

На правах рукописи УДК 533.9

СКОВОРОДА Александр Алексеевич

СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ МАГНИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АМБИПОЛЯРНЫХ ЛОВУШЕК

01.04.08 —физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва — 1982

Работа выполнена в ордена Ленина и ордэна Октябрьской Революции Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова

Официальные оппонента:

Доктор физико-математических наук Г.Ы.Батанов

Доктор технических наук В.И.Хвэсюк

Доктор физико-математических наук В.Д.Шафраноз

Ведущая организация - Институт ядерной физики СО АН СССР

Защита диссертации состоится " "_ 199 г.

в _ чесов на заседании специализированного совета по

физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу при Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова /Д.034.04.01/ по адресу: 123182, Москва, пл. Академика Курчатова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАЭ им.И.В.Курчатова

Автореферат разослан ■17".

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

К.Б<картатев

.....л--* I

»Л . |

1ТДЦИИ I

Отдо ,иссгртгций

Проблемы решаемые в настоящей работе, связаны с осущост.лешюм управляемой термоядерной роакции (УТР) с испол!зованием магнитного удержания высокотемпературной плазмы. Было продложено (этот процесс продолжается и сегодня) много конкретных схем осуществления магнитной УТР, которые можно разделить на два больших класса: замкнутые и открытые ловушки. В замкнутых, ловушках силовые лиши магнитного поля не покидают области удержания плазмы, в открытых - выходят из плазмы. Наиболее известным представителем замкнутых ловушек является токомак, который служит в настоящее время реальным прототипом первого термоядерного реактора.

Настоящая диссертация посвящена исследованшо открытых магнитных ловушек (конкретно амбишлярных ловушек), которые являются в настоящее время одной из альтернатив направлению токамаков.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Альтернативность исследований по УТР обеспечивает более высокую надежность в достижении актуальной цели - овладение новым источником энергии. Общепризнаны потенциальные преимущества амбиполярных открытых ловушек: большие р (отношение давления плазмы к давлению магнитного поля), стационарность работы, прямое преобразование энергии. Только по мере роста параметров плазмы в эксперименте (сейчас параметры плазмы в токамаках вне конкуренции) на пути к реактору могут быть получены ответы на вопрос о реализуемости этих преимуществ. Современное состояние теории и эксперимента на открытых ловушках позволяют с оптимизмом продвигаться по этому, как показывает опыт, тяжелому пути к УТР.

В настоящее время очень актульна проблема экологической чистоты энергетики. С этой точки зрения, традиционная схема УТР с использованием дейтерия и трития и получением нейтронов мало привлекательна. Сейчас интенсивно обсуждаются малорадиактивные схемы УТР (например). Для такой УТР

необходима ловушка с качественно лучшими параметрами, чем токамак. Можно надеяться, что именно на пути альтернативных исследований Судет получен малорадиактивный термоядерный синтез.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. В диссертации исследуется один из главных компонентов амбиполярных ловушек - стабилизирующий магнитный элемент (СЭ). Как показывает история развития физики высокотемпературной плазмы, надежное обеспечение магнитногидродинамической (МГД) устойчивости в открытых ловушках, также как и в других системах магнитного удержания, является важнейшим условием успешной работы плазменной установки. Стабилизирующий элемент отвечает только за МГД устойчивость всей амбиполярной ловушки. СЭ состоит, как правило, из отдельных ловушек. Специализация этих ловушек, связанная с обеспечением устойчивости, привела к качественно ноеому подходу к их разработке. Если раньше перспективность отдельной ловушки оценивалась с позиций создания реактора на ее базе, то сейчас определяющим стало выполнение ею узких специальных функций в составе комплексной амбиполярной открытой ловушки. Это привело,с одной стороны, к восстановлению интереса к бывшим бесперспективным магнитным конфигурациям. С другой стороны, началось интенсивное изобретение новых СЭ. Это в значительной мере стимулировало настоящую работу.

Сейчас предложено уже большое число СЭ, что поставило задачу их классификации. В диссертации поставлена цель экспериментально и теоретически изучить основные типы СЭ, которые отражают все характерные свойства, положешше в настоящей работе в основу классификации стабилизирующих элементов (осевые - внеосевые, аксиально симметричные -аксиально несимметричные, ортогональные - неортогональныэ, проходные - концевые, с абсолютным min В - с средним min В). В диссертации изучались три перспективных класса СЭ: аксиально несимметричный СЭ с абсолютным min В бейсбольного типа, ортогональный СЭ, аксиально симметричный СЭ с абсолютным min В типа касп. В работе не ставилась задача определить абсолютно наилучший СЭ. По нашему мнению это

невозможно, так как каждый СЭ имеет положительные и отрицательные стороны, которые начинают превалировать в зависимости от конкретных задач и условий. Наша цель состояла в экспериментальном и теоретическом изучении самих этих сторон.

При изучении СЭ ставилась задача исследовать не только общие характеристики и параметры плазмы, но и особенности, связанные, во-первых, с появлением различных групп частиц одного сорта (например, электронов) и, во-вторых, с определяющей ролью пространственного распределения потенциала плазмы в удержании частиц и энергии.

Одной из важных задач исследования СЭ являлось получение в опытах высоких параметров плазмы, в частности, электронной температуры. Это достигалось использованием мощного микроволнового нагрева в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). Весь обширный круг задач,связанный с ЭЦР в неоднородных магнитных полях с экстремумом в открытых ловушках, рассматривается в диссертации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.. Перечислим наиболее важные впервые полученные результаты:

1.Предложен СЭ типа касп с горячими электронами и экспериментально доказана возможность получения в нем долгоживущей электронно горячей плазмы с большой р.

2.Получена общая система уравнений равновесия вложенных открытых ловушек.

3.Показано сохранение ортогональности в параксиальном приближении при коночном р и получено уравнение ортогональности октупольной ловушки.

4.Указана принципиальная возможность создания ортогонального СЭ для изотропной плазмы, встраиваемого в однородное магнитное поле.

5.Экспериментально исследована природа нагрева и удержания электронов в СЭ бейсбольного тина при продольном вводе микроволновой мощности на первой гармоника электронной циклотронной частоты.

6.Проанализировано-поглощение электромагнитной волны при ЭЦР на высоких гармониках возле экстремума магнитного поля.

з

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1.Анализ стабилизирующих магнитных элементов амбиполярных ловушек. Исследование трах основных классов СЭ: аксиальло несимметричного, ортогонального, аксиально симметричного.

2.Результаты экспериментального изучения аксиально несимметричного СЭ с абсолютным минимумом магнитного поля бейсбольного типа с электронна и ионно горячей плазмой.

ТП П

Получена плотная (около 10 см ) ионно горячая (14 КэВ) плазма с высокой электронной температурой (более I КэВ).

3. Экспериментально продемонстрирована возможность термоизоляции различных групп электронов вдоль силовой линии магнитного поля в бесстолкновительной плазме при образовании потенциальных барьеров.

4.Проведено теоретическое рассмотрении ЭЦР возле экстремума магнитного " поля, позволившее предложить и использовать в эксперименте принципиально новые варианта диагностики.

5.Результаты исследования природы образования горячих электронов при ЗЦР в неоднородном магнитном поле прь продольном вводе СВЧ мощности. Получено экспериментальное подтверждение модели авторезонасного механизма ускорения I выхода релятивистских электронов из магнитной ямы по; действием СВЧ волны. Продемонстрирована возмокност! управления параметрами горячих электронов _ и _ направлением выброса из ловушки.

6.Результаты теоретического исследования аксиальж несимметричных СЭ с улучшенными геометрическим! характеристиками магнитной конфигурации (вложенные, локалык вложенные, ортогональные).

7.Получена общая система уравнений равновесия вложенны; открытых ловушек. На основе анализа этой системы вводите) понятие локально вложенных магнитных конфигураций, занимаквди промежуточное положение между вложенными и ортогональными Показано сохранение ортогональности при конечном значении р.

8.Получено уравнение ортогональности октупольной ловушки и показана возможность ортогонализации ловушек с большой мультипольностыо. \

9.Показана принципиальная возможность создания ортогонального СЭ для изотропной плазмы, встраиваемого в однородное магнитное поле. Приведен пример создания открытой ловушки с р. ■улируомой ортогональностью.

10.Результаты экспериментального исследования аксиально симметричного СЭ с абсолютным минимумом магнитного поля типа касп с электронно горячой плазмой. Показана возможность получения в каспе долгоживущей электронно горячей плазмы с р=ЗХ (в области с магнитным полом I Тл).

II.Экспериментально показано Ш'Д устойчивость спадающего к центру каспа поперечного профиля давления плазмы в форме колец.

12.Результаты экспериментального исследования малости влияния области неадиабатичности на удержание электронно горячей плазмы в каспе.

13.Результаты исследования кинетических неустойчивости в исследуемых стабилизирующих элементах и их влияния на удержание плазмы.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. ' Обоснованность выводов диссертации следует из приведенных в работе опытных дашшх.

При теоретическом анализе использовались известные метода, развитые в теории ЭЦР и равновесия плазмы:

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований по томе диссертации эпубликованы п 25 печатных работах. Их список приводен в танце автореферата.

Описанные эксперименты проводились на крупных установках Зольшим коллективом сотрудников, в соавторстве с которыми записаны некоторые из приведенных статей. В диссертации используются результаты, полученные непосредственно автором ми при его непосредственном участии и руководство (исходя из требований к диссертационным работам, при описании содержания циесертации ниже указываются новизна и личный вклпд автор:!). Работы, составляющие теоретическое яд]ю дио'-мртации.

выполнены без-соавторов.

Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на научных семинарах 1ЛЛЭ им. И.В.Курчатова, ИЯФ СО АН СССР, на Всесоюзных и Международных совещаниях по открыты!., ловушкам, на Звенигородских конференциях по физике плазмы, на Европейских и Международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения и трех частей, каждая из которых посвящена одному из классов стабилизирующих магнитных элементов. Каждая часть состоит из 4 глав. Выводы приводятся в конце каждой части. Полный объем диссертации 321 страница, в том числе: 92 рисунка,14 таблиц, 8 приложений, 216 наименований литературы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во ВВЕДЕНИИ сформулированы цели и задачи работы, определено ее место в термоядерных исследованиях. Проводится классификация стабилизирующих магнитных элементов амбиполярных ловушок и их краткое описание. Приводятся реферативное содержание диссертации и основные выводы. Описана структура изложения содержащегося в диссертации материала.

ПЕРВАЯ ЧАСТЬ посвящена экспериментальному изучению аксиально несимметричного стабилизирующего элемента с абсолютным минимумом магнитного поля бейсбольного типа. Эта часть состоит из пяти глав.

ГЛАВА I имеет вводный характер. В ней отмечается, что

исследуемый СЭ наиболее часто использовался в экспериментах и

его возможности по стабилизации плазмы изучены достаточно

хорошо. Однако большинство экспериментов проводились при

малой температуре электронов в несколько сот эВ. Главной

задачей нашего экспериментального изучения СЭ являлось

тч -3

получение плотной (с плотностью около 10 см ) ионно-горячей (с энергией более 10 КэВ) плазмы с высокой электронной температурой (Солее I КэВ). С этой целью была сооружена установка ОГРА-4, в которой нагрев ионов осуществлялся

нейтральной инжокцией, а электронов - гиротронами в условиях электронного циклотронного резонанса (автор принимал непосредственное участие в создании комплекса пгротронов и диагностики). К началу проведения экспериментов на этой установке опыты с аналогичными целями и параметрами плазмы в других лабораториях не проводились. Обзор литературы отражает современное состояние исследований в этой о^лмстп.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ описываются установка 01ТЛ-4 и основные физические результаты, полученные в экспериментах на этой установке (пптор принимал непосредственное участие в экспериментах и измерениях параметров плазмы). Первые два параграфа этой главы содержат подробные данные о физико -технических характеристиках установки и о диагностике. Последний параграф содержит информацию о параметрах плазмы. Получена устойчивая плазма с максимальной плотностью около

ТГЭ О

10 см , сродней энергией ионов 14 кэВ и электронов 3 кэВ. Эти результаты позволяют считать выполненой главную задачу эксперимента. В опытах получено также большое значение определяющую часть которого образуют горячие электроны с энергией 0,1 - 0,4 МэВ (при максимальном удольном энергосодержании плазмы 100 кДж/м ). Полученные максимальные значения параметров плазмы определяются энергетикой установки и могут быть увеличены путем усиления тока нейтральной инжекции и продления длительности импульса гиротрона.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ первой части исследуются пространственные распределения параметров плазмы. Эти исследования были ориентированы на получение дашшх о распределении потешдаала в электронно горячей плазме с нейтральной инжекцией. Отметим, что в настоящее время известно очень мало экспериментальных работ на эту тему. Измерения показали, что в ОГРЕ-4 наблюдается очень сложная картина пространственного и энергетического распределения частиц плазмы. Наиболее явно выделяются ядро (область в центре ловушки с горячими ионами и электронами), гало (область плазменной экранировки нейтрального газа и существования электронов с энергией в несколько КэВ), периферия (область между гало и пробкой, где ускоряются горячив электроны о энергией 0,1 - 0,4 МэВ), запробочная

область (от пробки до торца, где плотность плазмы очень мала). Каждая из этих областей влияет своеобразным образом на распределение потенциала и на удержание частиц и энергии в ловушке. В первом параграфе этой главы исследуются характер плазменной экранировки газа и ионизационный баланс (это исследование выполнено автором). Влияние запробачной плазмы изучается в следующем параграфе, где показана определякщая роль этого участка в устранении негативной роли вторичной электронной эмиссии с торцов на плазму с горячими электронами (автор принимал участие в измерениях и построил модель распределения потенциала в этой области). В последнем параграфе анализируется распределение потенциала на основании полученных данных в различных областях СЭ (анализ выполнен автором). Вид изменения потенциала характеризуется наличием экстремумов, что вызывает в эксперименте различие электронных температур холодных электронов вдоль силовых линий. Это может быть интерпретировано как наличие своеобразного термобарьера для этой группы электронов. Наш эксперимент показал, что термобарьеры это не экзотическая выдумка теоретиков, а реальное физическое явление наблюдаемое в обычном пробкотроне.

ГЛАВА 4 первой части посвящена изучению электронного циклотронного нагрева (ЭЦРН) в неоднородном магнитном поле с экстремумом. Электроны в эксперименте ОГРА-4 нагревались с использованием СВЧ мощности от гиротронов в условиях ЭЦР, что и послужило причиной этого исследования. Хорошо извостен ЭЦРН в монотонно изменяющемся в пространство магнитном поле. Этого нельзя сказать о ЭЦР около точек, где величина магнитного поля минимальна (максимальна). В первом параграфе четвертой главы проводится теоретическое рассмотрение этого вопроса в наиболее общей постановке задачи (эта работа является продолжением оригинальных исследований автора (в соавторстве), начатых в кандидатской диссертации). Оказалось, что полученные соотношения позволяют предложить новые способы диагностики плазмы на основании измерения коэффициента поглощения зондирующего СВЧ луча (СВЧ просвечивание). На эти способы получены авторские свидетельства и они широко использовались в нашем эксперименте.

Последний параграф главы 4 посвящен анализу свойств и причин образования горячих (0,1 -0,4 МэВ) электронов при ЭЦР В неоднородном магнитном поле. Эти электроны определяют энергосодержание плазмы в нашем эксперименте, а также используются в различных схемах стабилизации аксиально симметричных амбиполярных ловушек. Хотя образование сверхгорячих электронов наблюдается во всех экспериментах с использованием ЭЦР, до настоящего времени не существовало модели, которая бы предсказывала такие параметры этих электронов как энергия и плотность. Проведенные на установке. ОГРА-4 эксперименты убедительно подтверждают модель, предложенную А.В.Тимофеевым (препринт ИАЭ-5084/6,1990) (модель создавалась и проверялась на основании экспериментальных данных, полученных в эксперименте ОГРА-4 при непосредственном участии автора). Эта модель учитывает релятивистский допплеровский авторозонанс при продольном вводе СВЧ мощности, преимущественное ослабление СВЧ волны из-за поглощения на горячих электронах на периферии плазмы, определяющую роль СВЧ диффузии в нагреве и выбросе горячих электронов из ловушки вдоль силовых линий. Экспериментально продемонстрирована анизотропность выхода горячих электронов из ловушки и возможность управления свойствами горячих электронов. Полученные дашше свидетельствуют о возможности ЭЦР поддержания тока вдоль силовых линий в неоднородных магнитных полях.

Последняя ПЯТАЯ ГЛАВА части I посвящена исследованию кинетических неустойчивостей в электронно горячей плазме установки ОГРА-4. Такое экспериментальное исследование является необходимым для каждого СЭ, чтобы определить не только его МГД стабильность, а и пригодность в целом. Несмотря на то, что в эксперименте обнаруживается широкий спектр фдуктуаций,• мы не обнаружили связи этих колебаний с предельными параметрами плазмы. В этой главе представлена та небольшая по сравнению с полученной на установке ОГРА-4 информация, которая была проанализирована непосредственно автором.

Если очень кратко просуммировать основные выводы нашего исследования аксиально несимметричного СЭ с абсолютным rain В

бейсбольного типа, то мы должны констатировать отсутствие каких-либо новых неприятностей, вызванных горячими электронами, ЭЦР нагревом, высокими значениями р. Фактически единственным (но определяющим) недостатком этого СЭ остается вызываемый его несимметричностью аномально большой поперечный перенос плазмы в амбиполярных ловушках.

ВТОРАЯ И ТРЕТЬЯ ЧАСТИ диссертации посвящены изучению возможности устранения этого недостатка. Очевидный путь это создать симметричный СЭ и ему посвящена часть 3. Оказывается, что аксиальная несимметрия не обязательно приводит к аномальным поперечным переносам плазмы в амбиполярной ловушке. Существуют специальные магнитные конфигурации, названные Д.А.Пановым (Письма КЭТФ, 1982, 35, 70) ортогональными, которые не •вызывают неоклассической поперечной диффузии и вторичных токов.

ВТОРАЯ ЧАСТЬ содержит - теоретическое рассмотрение ортогональных аксиально несимметричных стабилизирующих элементов. Эта часть состоит из четырех глав.

ПЕРВАЯ ГЛАВА содержит наиболее общие определения магнитной и дрейфовых поверхностей для открытой ловушки, которые тесно связаны с понятиями вложенности и ортогональности. Определение однозначной магнитной поверхности в открытых ловушках качественно отличается от случая замкнутых магнитных ловушек. В этой же главе вводится понятие ортогональности и приводятся уравнения, при удовлетворении которым вакуумная магнитная система становится ортогональной в параксиальном приближении. Первая глава написана на основании литературных источников. Все последующие главы содержат оригинальные результаты автора.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ исследуется вопрос влияния давления плазмы (конечности ¡3) на геометрические характеристики магнитного поля открытой ловушки. С этой целью получена общая система уравнений равновесия вложенных открытых ловушек. Эта система была использована для получения общего выражения для продольных плазменных токов.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ второй части производится анализ уравнений равновесия локально вложенных и ортогональных ловушек. В первом параграфе вводится понятие локально

вложенных магнитных конфигурация, которые занимают по целому ряду свойств промежуточное положение между вложенными и ортогоналышми. Можно построить следующую иерархию улучшения магнитной конфигурации открытой ловушки: неразрушенная магнитная поверхность, вложенная, локально вложенная, ортогональная. В этом параграфе получены общее условие локальной вложешгости, выражение для продольных токов и уравнение локальной вложенности для вакуума в параксиальном приближении.

Второй параграф главы 3 посвящен ортогональным магнитным конфигурациям, в которых отсутствует продольный плазменный ток. Показано, что такие конфигурации характеризуются замкнутостью силовых линий магнитного поля (также как в аксиально симметричных ловушках). Путем численного решения уравнений равновесия ортогональной ловушки показана возможность сохранения этого свойства при малых, но конечных значениях р.

В этом же параграфе исследуется ортогональность в высших порядках параксиального приближения. Показана возможность создания ортогональной октупольной ловушки. Получить же ортогональность квадрупольной ловушки во втором порядке параксиального приближения, по всей видимости, невозможно. В заключение параграфа 2 понятия ортогональности и вложенности применяются к замкнутым ловушкам.

ГЛАВА 4 посвящена практическому применению ортогональных магнитных элементов. Чтобы показать характерный пример использования ортогональности, мы предложит схему ловушки с регулируемой ортогональностью. Предложен эксперимент на этой ловушке, который бы позволил установить степень влияния ортогональности магнитной конфигурации на параметры и характер поведения плазмы. Отметим, что численный расчет реальной магнитной системы (расчет выполнен Щербаковым А.Г.) показал высокую точность получения ортогональности на протяжении всей ловушки в достаточно большой области около оси.

Специальный параграф главы 4 посвящен получению ортогональной амбиполярной ловушки в целом (а но только отдельного стабилизирующего элемента ловушки). Оказывается,

и

что в классической схеме амоиполярной ловушки (, цоптралышй соленоид с двумя бейсболами на концах, "хвосты" которых взаимно перпендикулярны) этого сделать не удается. Могло сделать практически ортогональную амбиполярную ловушку, вернувц 1сь к варианту с параллельными "хвостами". Этот вариант был отвергнут на начальном этапе исследования вмбиполярных ловушек (однако в Японии успели сделать установку САШ1Л-6). Тогда было понято, что при такой геометрии магнитного поля частицы, удерживаемые между Оейсболами, испытывают радиальный дрейф в одну сторону при каждом отражении от пробок (при перпендикулярных "хвостах" радиальные дрейфы компенсируются при последующих отражениях) и быстро теряются из ловушки в поперечном направлении. В ортогональной ловушке радиальные дроййы отсутствуют и ориентация "хвостов" становится несущественной. Мы назвали эту необычную амбиполярную ловушку "антисимметричной" из-за антисимметричности квадрупольной составляющей магнитного потенциала относительно центра ловушки.

Глава 4 завершается обсуждением СЭ для изотропной плазмы (например, располагаемый в центральном соленоиде амбиполярной ловушки). Развивая идеи ловушки Фюрта - Розенблюта, мы показали, что такой одиночный СЭ конечной длины, встраиваемый в соленоидальное магнитное поло, можот быть создан. Предложен способ ортогонализации такого стабилизирующего элемента.

Наиболее общим выводом нашего исследования в части II является принципиальная возможность существенного уменьшения негативных последствий аксиальной несимметрии СЭ бейсбольного типа путем совершенствования геометрии магнитной конфигурации. Можно надеяться, что именно на этом пути будет создан "идеальный" СЭ для амбиполярной открытой ловушки.

Аксиальная симметрия амбиполярной ловушки и,следовательно, стабилизирующего элемента полностью устраняет неоклассическую поперечную диффузию, связанную с несимметрией, но остро ставит вопрос об обеспечении МТ'Д устойчивости. Наиболее известным и экспориментально изученным аксиально симметричным СЭ с абсолютным минимумом магнитного поля является каси (встречные пробки). В ЧАСТИ III проводится экспериментальное исследование касна с электронно горячей

плазмой, концепцию которого предложил автор. Эта часть состоит из четырех глав.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приводится обзор • современных использований каспов в качестве стабилизирующих элементов и отмечается отсутствие экспериментов с электрошю горячей плазмой в каспах. Привлекательность использования горячих электронов (а не ионов, как обычно) в каспе связана с малостью области неадиабатичности для элоктронов и, как следствие, с малостью энергетических затрат на ее заполнение плазмой без применения каких- либо способов удержания. Малость энергетических затрат обеспечивается так же МГД устойчивостью профиля давления плазмы, спадающего к центру каспа.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ описывается установка ОГРА-4К, сооруженная для экспериментальной проверки следующих основных положений концепции СЭ-каспа с горячими электронами:

-возможность получения долгоживущей электронно горячей плазмы с ß в несколько процентов в каспе при электронном циклотронном резонансе;

-реализация МГД устойчивого, спадагацэго к центру поперечного профиля давления плазмы;

-малость влияния области неадиабатичности электронов и ионов.

Автор принимал непосредственное участие в сооружении этой установки и проведении экспериментов. В этой же главе приведены основные физические результаты. Эксперименты позволили дать положительные ответы на сформулированные выше вопросы. Показана возможность получения долгоживущей (время жизни более I мс) электронно горячей плазмы с ß=3% (в области с магнитным полем I Тл). Эти параметры, которые моято регулировать изменением внешних параметров эксперимента (поток газа, мощность гиротрона и др.), обеспечивают запас МГД устойчивости СЭ, достаточный (по модельным расчетам) для стабилизации плазмы с ß в несколько десятков процентов.

ГЛАВА 3 части III' содержит подробную информацию о пространственной структуре электронно горячей плазмы в каспе, которая характеризуется образованием двух колец теплых электронов, отсутствием горячих электронов (по терминологии

первой части) и малой ролью области неадиабатичности. Возможные причины такого поведения обсуждаются в отдельном параграфе.

Заключительная глава посвящена неустойчивостям в каспв с элоктрс ¡но горячей плазмой. Отмечается много общего с устойчивостью электронно горячей плазмы в бейсболе (см. выше). Однако обнаружено новое явление, которое проявляется в виде больших срывов диамагнитного сигнала. Эта глобальная неустойчивость может быть стабилизирована дополнительным контролируемым напуском газа.

Делая общий вывод нашего исследования в части III, необходимо отметить экспериментальное доказательство возможности создания СЭ на основе каспа с горячими электронами. Отмечая его положительные черты, необходимо учитывать, что касп является концевым СЭ, что ограничивает его возможности по стабилизации неустойчивостей на запертых частицах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Представленная к защите диссертационная работа посвящена изучению стабилизирующих .элементов амоиполярной открытой ловушки. Итоговой целью проведенных исследований явилась выработка рекомендаций по использованию СЭ различного типа в экспериментах с открытыми системами.

В качестве возможного практического использования полученных в диссертации результатов была предложена модель генератора нейтронов на основе обычного пробкотрона, в котором МГД стабилизация DT плазмы обеспечивается СЭ типа касп с электронно горячей плазмой. Проведенный расчет генератора нейтронов, использующий известные и экспериментально проверенные принципы, показал реальность предложения.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

I.Сковорода A.A., Тимофеев A.B., Швилкин Б.Н..Определение температуры плазмы по циклотронному

поглощению в неоднородном магнитном поло,ЖЭТФ,1977,73,526-537

2.Skovoroda Л.A., Zhiltsov V.A., ECR as a diagnostic) for mirror trap plasma,J. de Physique,1979,C7-663-664

3.Chulkov G.N., Ekovoroda A.A., Eleotron oyolotron resonance as a tool for plasma diagnostics in open traps, Nuclear Fusion,1981,21,787-803

•1. Cliulkov G.H., Ekovoroda A.A., Timofeev A.V., Zhiltsov V.A., Measurements of electron temperature and plasma density from oyolotron absorption in open trap / in Plasma Physios/ Ed. by B.Kadomtsev, Mir, liosoow, 1981,176-191

5.Kusnetsov M.G..Skovoroda A.A., Tandem mirror reaotor oaloulation with, respect to axial nonuniformity of electron temperature/ 10th Eur.Conf. Contr. Fusion and Plasma Physios, Moscow,1981,v.2,159

6.Сковорода А.А., Антисиммотричная амбиполярная ловушка, Письма в ЖЭТФ,1985,41, 13-15

7. Сковорода А. А., Осесимметричный стабилизирующий элемент амбиполярной ловушки, Физика плазм, 1985,II ,1319-1321

8. Сковорода А.А., Открытые ловушки с ортогональной геометрией магнитного поля. Препринт ИАЭ - 4292/6', 1986

Э.Арсешш В.В., Болавин М.И., Головхш И.Н., Сковорода А.А. и др., О возможности экспериментального исследования МГД устойчивого удержания плазмы в аксиально симметричной открытой ловушке, ВАНТ, сер.ТЯ,1986,в.4, 17-22

10.Сковорода А.А., Уравнения равновесия для открытой ловушки с вложенной геометрией магнитного поля, Физика плазмы, 1987,13,922-928

П.Белавин М.И., Жильцов В.А., Косарев П.М., Сковорода А.А. и др., Эксперименты на открытой ловушке ОГРА-4 с нейтральной инжекцией в электронно горячую плазму, ВАНТ, сер.ТЯ,1988,в.1,51-53

12.Belayin M.I., Golovin I.N., Zhiltsov 7.A., Skovoroda A.A. et al., Hot eleotron plasma confinement in the ousp devioe 0gra-4K, 12th Int.Conf.Pl. Phys. and Contr. Nuol. Fuo. Res., Nice,1988,v.2,691-696

13.Сковорода А.А., Равновесие плазмы с большим давлением в открытой ловушке с вложонной геометрией магнитного поля, Физика плазмы,1989,15,771-777

14.Жильцов В.А., Сковорода A.A., Щербаков А.Г., Свойства плазменной мишени, получаемой при ЭЦР в неоднородном магнитном поле установки ОГРА-4, Препринт ИАЭ - 4855/7,1989

15.Сковорода A.A., Ортогональность геометрии магнитного поля открытой ловушки в высших порядках параксиального прибликешм, Физика плазмы, 1989,15,1251-1254

16.Сковорода A.A., Анализ уравнений равновесия вложенных открытых ловушек, Препринт ИАЭ - 4913/6,1989

17-Сковорода A.A., Замкнутость силовых линий магнитного поля и условие ортогональности, ЖЭТФ,1990,97,179-183

18.Zhilteov V.A..Skovoroda A.A., Soherbakov A.G., Some features of ECRH in inhomogeneous magnetio fields, 17th Eur. Conf. Contr. Pub. and PI. Heating, Amsterdam, 1990,Pt.3,1072

19.Belavin M.I., Zhiltsov V.A., Skovoroda A.A., Hot eleotron plasma instabilities in open traps OGRA-4 and 0GRA-4K, 17-th Eur. Conf. Contr. Pus. and Plasma Heating, Amsterdam, 1990, Pt.3,593

20.Белавин M.П., Жильцов В.А., Кучеряев Ю.А., Сковорода A.A. и др., Удержание электронно горячей плазмы во встречных магнитных полях, Физика плазмы, 1990,10,934-993

21.Белавин M.W., Жильцов В.А., Кучеряов Ю.А., Сковорода A.A. и др.. Нейтральная инжекция в электронно горячую плазму в установке ОГРА-4, Физика плазмы,1990,16,978-984

22.Денисенко А.Ю, Сковорода A.A., Стабилизирующий магнитный элемент для изотропной плазмы, Препринт ИАЭ -5217/7, Москва, 1990

23.Belavin Ы.1., Zhiltsov V.A., Kuoherjaev Yu.A., Skovoroda A.A., et al., 0GRA-4K - experimental results, 13-th Int. Conf. Pl. Phys. and Contr. Nuol. Pub. Ree., Washington,

1990, C-4-16

24.Сковорода A.A., Эксперимент с ловушкой с регулируемой ортогональностью геометрии магнитного поля. Труды Всесоюзного 'совещания по открытым ловушкам, Москва,1990,128-131

25.Zhiltsov V.A., Skovoroda A.A., Timofeev A.V., Soherbakov A.C., Detrapping of hot eleotrons from magnetio wall under ECR heating with parallel HP power launching, 18-th Eur. Conf. Contr. Pus. and Plasma Phye., Berlin,

1991, Pt.2, C13-265