Термоядерные реакции в газодинамической ловушке с инжекцией дейтонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

МАКСИМОВ Владимир Васильевич

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОВУШКЕ С ИНЖЕКЦИЕЦ ДЕЙТОНОВ

01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК - 2004

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Багрянский Петр Андреевич

Иванов

Александр

Александрович

— доктор физико-математических наук, Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, г.Новосибирск.

— доктор физико-математических наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г.Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Бурдаков

Александр

Владимирович

Калинин

Юрий Григорьевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

— доктор физико-математических наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г.Новосибирск.

— доктор физико-математических наук, Российский научный центр "Курчатовский институт", г. Москва.

— Государственный научный центр Российской Федерации "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований", г.Троицк.

Защита диссертации состоится "_"_;_" 2004 г.

в "_" часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01

при Институте ядерной физики им Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

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

Автореферат разослан "_"............2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы,

Газодинамическая ловушка (ГДЛ), идея. создания которой принадлежит В.В. Мирнову и Д.Д. Рютову [1], предназначена для удержания столкновительной плазмы с изотропным максвелловским распределением частиц. Условие столкновительности, выражается в том, что длина свободного пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь много меньше длины системы. Очень важным достоинством газодинамической ловушки является простая и надежная физика продольного удержания плазмы. А именно, продольные потери частиц.в ГДЛ практически не зависят от скорости рассеяния [2], а определяются размерами плазмы в магнитной пробке и тепловой скоростью ионов.

Наиболее реалистичным на сегодняшний день кажется предложение использовать ГДЛ в качестве нейтронного источника, т. е. термоядерного реактора с высокой плотностью нейтронного потока и относительно низким КПД [3]. Источник нейтронов DT реакции с энергией 14 МэВ и плотностью мощности потока ~ (1 — 4) МВт/м2 сегодня становится все более необходимым для специалистов в области термоядерного материаловедения. В частности, он необходим для создания материалов первой стенки будущих DT реакторов [4], обладающих адекватной нейтронной стойкостью. В таком источнике нейтронов плазма имеет две компоненты: столкновительную мишенную плазму и быстрые ионы, которые образуется в результате наклонной инжекции мощных дейтериевых и тритиевых пучков. Быстрые ионы удерживаются в бесстолкновительном, адиабатическом режиме. При этом они, совершая продольные баунс-колебания между точками отражения, сохраняют малый разброс по питч-углам, характерный для инжектированных атомарных пучков. В этих условиях, вблизи областей отражения частиц продольный профиль плотности быстрых ионов, а следовательно и профиль плотности потока нейтронов оказываются пикированными. Таким образом, наклонная инжекция нейтральных пучков позволяет разнести в пространстве область захвата и зону испытаний нейтронного генератора.

В предьщущих экспериментах [5] на установке ГДЛ релаксация быстрых ионов, возникающих при инжекции атомов водородагбыла исследована экспериментально и численно с использованием компьютерных кодов, основанных на теории срав-

нения скорости торможения, энергетических и угловых распределений быстрых ионов, которые были измерены в эксперименте и получены численно, позволили заключить, что с точностью до ошибок измерений парные кулоновские столкновения определяют релаксацию горячих ионов; Переход к инжекции дейтонов в ГДЛ позволяет независимо проверить этот важный вывод и непосредственно продемонстрировать пикирование профиля потока продуктов термоядерной реакции.

Цель работы состояла:

♦ в создании соответствующей аппаратуры для измерения пространственного профиля потока продуктов термоядерной реакции;

♦ в разработке численной модели, основанной на теории кулоновских. столкновений и учитывающей специфику эксперимента на ГДЛ, для расчетов пространственных профилей: потока продуктов DD реакции при инжекции пучков атомарного дейтерия;:

♦ в экспериментальной демонстрации, формирования продольного профиля потока продуктов термоядерной реакции, пикированного в областях остановки быстрых ионов;

♦ гв сравнении результатов измерений с результатами численного моделирования для определения соответствия кинетики торможения и углового рассеяния быстрых дейтонов предсказаниям теории парных кулоновских столкновений.

Научная новизна.

Впервые экспериментально продемонстрирована возможность осуществления продольной пикировки профиля выхода-продуктов DD реакции в ГДЛ при наклонной инжекции дейтериевых пучков. Впервые на основании сравнения результатов измерения продольного профиля потока продуктов термоядерной реакции с результатами численного моделирования сделан вывод о кулоновской кинетике торможения и углового рассеяния быстрых ионов.

Научная ценность работы.

Создана система измерения пространственного профиля потока продуктов DD реакции на установке ГДЛ; .

Модернизация системы тЬйсЬнбвскогЬ рассеяния позволила существенно увеличить возможности диагностического комплекса установки ГДЛ.

Построена математическая модель, позволяющая моделировать пространственный профиль выхода продуктов DD реакции с учетом конечного ларморовского радиуса дейтонов.

Апробация диссертации.

Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на Всероссийских конференциях по физике плазмы и УТС (1997 - 2003, Звенигород), на Международных конференциях по открытым ловушкам (1998 - Новосибирск, Россия; 2000- Цукуба, Япония; 2002 - Jeju Island, Корея), на Европейских конференциях по УТС и физике плазмы (1999 — Маастрихт, Нидерланды; 2000 — Будапешт, Венгрия; 2003 -Санкт-Петербург, Россия).

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст диссертации содержит 73 страницы, 20 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко описываются физические принщшы удержания плазмы в газодинамической ловушке, приведена оценка времени жизни в ГДЛ.. Далее обсуждаются особенности источника нейтронов на основе газодинамической ловушки и соответствующие задачи диссертационной работы. Приведено краткое, по главам, содержание работы.

В iпервой]главе приведено краткое описание вакуумной системы, магнитной системы, систем создания мишенной плазмы и атомарной ин-жекции установки ГДЛ. Для экспериментов с инжекцией дейтонов магнитное поле в центральной части установки было увеличено и в экваториальной плоскости составляло 2.5 кГс. Описан стандартный временной «сценарий» эксперимента. Глава заканчивается таблицей 1 с параметрами установки ГДЛ для используемого в данной работе режима.

Вторая глава посвящена двум наиболее важным для данной работы диагностикам, которые были созданы при непосредственном участии автора. Система измерения температуры электронов плазмы методом томсоновского рассеяния была существенно модернизирована в связи с необходимостью проведения измерений в различных точках по радиусу. Другая диагностика была создана специально для измерения продольного профиля потоков 3.02 МэВ протонов и 2.45 МэВ нейтронов, рождающихся в плазме в результате столкновений дейтонов. Датчик работает в режиме регистрации отдельных частиц. На рис. 1 изображена схема детектора в установленном на вакуумную камеру ГДЛ положении. В каче-

Таблица 1: Параметры установки ГДЛ

Параметр Величина

Полная длина установки 17 м

Расстояние между пробками 7 м

Магнитное поле:

в центре (Но) 2.5 кГс

в пробках (Яго) 100 кГс

пробочное отношение Я = Нт/Но 40

Давление перед рабочим импульсом 3-Ю"5 Па

Энергия инжекции 16-18 кэВ

Мощность инжекции 3.8 МВт

Длительность инжекщш 1.1 мс

Угол инжекции 45°

Плотность мишенной плазмы (на оси) 4-1019 м"3

ЭлектрЬнная температура плазмы 90 эВ

Энергосодержание в мишенной плазме 150 Дж

Плотность быстрых ионов в точках отражения ~ 1019 м"3

Средняя энергия быстрых ионов 10 кэВ

Энергосодержание быстрых ионов 900 Дж

стве сцинтиллятора (1) использовалась пластина из пластмассы СПМ-5 с размерами 37x100x5.5 мм. Протоны и нейтроны из плазмы при попадании в сцинтиллятор производили вспышки. Свет регистрировался ФЭУ (3), сигнал после усиления подавался на АЦП, из которого затем заносился в архив. Приемное окно было закрыто двойным слоем тонкой (10 мкм) алюминиевой фольги (5), который пропускал протоны (для 3 МэВ пробег протона в алюминии ~80 мкм), но задерживал ядра Т (при энергии 1 МэВ пробег ~10 мкм) и ядра Не3 (энергия 0.82 МэВ и пробег ~3 мкм) [6], а также защищал сцинтиллятор от излучения плазмы в оптическом диапазоне. Использование управляемой снаружи камеры заслонки (4), изготовленной из нержавеющей стали, позволяло сепарировать потоки протонов и нейтронов. Для этого проводилась серия выстрелов при закрытой заслонке, которая отсекала поток протонов, но не препятствовала нейтронам, и отдельно проводилась серия выстрелов при открытой заслонке.

Применение ФЭУ "Иашаша18и Н2611 "позволило проводить измерения непосредственно в сильном, до 6 кГс, магнитном поле ловушки. Так

как динодная система этого ФЭУ имела сеточную конструкцию ("fine mesh"), его работоспособность сохранялась при расположении под углом до 30° к силовым линиям при величинах магнитного поля до 20 кГс. Дополнительные пластинчатые коллиматоры из нержавеющей стали использовались для улучшения пространственного разрешения при измерении продольного и поперечного профилей потоков 3.02 МэВ протонов.

Далее в данной главе описаны также особенности регистрации и обработки сигналов с датчика.

Третья глава посвящена математическому моделированию профиля интенсивности термоядерной реакции в газодинамической ловушке. Приведены используемые при моделировании сечения DT и DD реакций, отмечаются следующие особенности поведения сечений:

♦ сильный спад всех сечений в области малых энергий;

♦ сечения обеих ветвей DD реакции очень близки (наибольшие отличия наблюдаются в области малых энергий, вклад которых незначителен). Вследствие этого обстоятельства выход 3.02 МэВ протонов и выход 2.46 МэВ нейтронов практически одинаковы й в даль нейшем под выходом продуктов DD реакции будет подразумеваться выход одной из указанных частиц;

♦ сечения DD реакции значительно меньше, чем у DT реакции, что также облегчает моделирование.

Приведено описание простой стационарной модели, учитывающей торможение быстрых дейтонов на электронах и рассеяние на ионах мишенной плазмы. Модель учитывает влияние конечного ларморовского радиуса на профиль выхода продуктов термоядерной реакции. Расчеты выполнялись в предположении о азимутальной симметрии пространственного распределеншгларморовских центров быстрых дейтонов. Это справедливо, если время азимутального дрейфач мало по сравнению с временами других процессов и инжекторы установлены по азимуту достаточно часто.

Четвертая глава диссертации посвящена описанию экспериментов и интерпретации полученных данных. В разделе 411: изложены особенно* сти измерения потоков 3.02 МэВ протонов и 2Л45 МэВ нейтронов на ГДЛ. Значительное количество рассеянных на массивных элементах конструкции установки нейтронов и необходимость использовать для коллимация нейтронов большое количество водородосодержащего вещества побудили проводить большинство измерений с помощью регистрации 3.02 МэВ < протонов. Магнитное поле приводило к искривлению траектории таких протонов и уменьшению их потока на датчик, однако оно не превышало 6% и учитывалось при обработке.

В начале раздела 4.2 приведены экспериментальные данные (рис.2) о инжектируемой и захваченной мощности дейтериевых пучков, энергосодержанию захваченных быстрых ионов и потоке 3.02 МэВ протонов на датчик без коллиматора, приемное окно которого располагалось вблизи точки остановки (г = 175 см), на радиусе г = 34 см. Инжекция дейто-нов осуществлялась в водородную мишенную плазму. Получено энергосодержанию быстрых ионов около 900 Дж и поток 3.02 МэВ протонов Обращается внимание, что ларморовский радиус быстрых дейтонов с энергией инжекции (16 — 18 кэВ) в наших экспериментах был сравним с радиусом мишенной плазмы.

Для оценки радиуса области, занятой быстрыми ионами, было проведено хордовое измерение поперечного профиля потока продуктов Б Б реакции вблизи точки остановки. На рис. 3 показан результат поперечного сканирования профиля потока продуктов ББ реакции вблизи точки остановки, усредненный по временному интервалу 0.9—1.0 мс от начала инжекцйи. Момент окончания инжекции выбирался как наиболее близкий к стационарному состоянию (оценка времени торможения быстрых дейтонов дала ТГ& = 0.85 МС). Полученный профиль в пределах точности измерений можно было • аппроксимировать функцией Гаусса 3 ~ ехр{—х2/а2), где а = 5.8 см. Это означало, что радиальный профиль выхода продуктов ББ реакции q описывается аналогичной функ-

со; •» Si

г i о

>« 5

о

1.0JS

ол ол о

" 1 1 1 1 1 ' " 1 1 " 1 " ' 1 ' 'Ч"+ттт+

I 1-^1 I I I I Г 1 I I . I I I I ■ I I I I I I I I 1 I I ■ I I

О ОЛ 0.« 0£ s ОД 1 1Л ; 1.4 1.6

ЬМС

Рис. 2: Временные зависимости для эксперимента с инжекцией дейтонов в водородную мишенную плазму: - Pinj ~ инжектируемая мощность} Ptr - захваченная мощность, Wp — энергосодержание быстрых дейто--нов, j —поток 3.02 МэВ протонов г=34 см, z=175 см. Время отсчиты-вается от начала инжекции.

-10 -8 -6 -4 -2: О 2 4 6 8 10

х,см;

Рис. 3: Профиль потока 3 МэВ протонов Ь = 0.9-1.0 мс 175 см, измеренный по хордам коллимированным датчиком.

см

Рис. 4: Продольный профиль выхода 3 МэВ протонов на установке ГДЛ с инжекцией дейтонов в водородную мишенную плазму (•), расчетные линии приведены отнормированными на максимальное значение: 1 -стационарная модель с учетом конечного ларморовского радиуса (КЛР), 2 - стационарная модель без учета КЛР, 3 - МСПТ, 4 - стационарная модель с удвоенным рассеянием (с учетом КЛР).

цией Гаусса. Именно это радиальное распределение в дальнейшем сопоставлялось с модельными расчетами. Ларморовский радиус для ионов с наибольшей энергией составлял 5.6 см. В модельных расчетах использовалась стационарная модель. Радиальное распределение ларморовских центров быстрых ионов принималось постоянным в пределах радиуса О — гсо и нулю при г > Гсо в центральной плоскости для всех энергий. Сопоставление экспериментального и расчетного профилей показало, что наилучшее совпадение достигалось при Гсо = 12 см (в точке измерения это соответствует 8.9 см).

Результаты измерения продольного профиля выхода З'МэВ протонов представлены на рис. 4 круглыми маркерами. Измеренная величина представляет собой количество протонов эмитированных из 1 см длины плазменного столба в секунду, усредненное по интервалу времени 0.9 — 1.0 мс от начала инжекции. Полученный профиль был пикирован в'блйзй тбчкй остайбвйй) степень пикировки составляла около б. Абсолютное значение протонногб линейной) выхода в Максимуме было " 1.8 - 108см с"1. Йа рисунке также приведены расчетные профили с учетом конечного ларморовского радиуса (КЛР) и без его учета, кривые отнормированы на максимальное значение полученное в эксперименте. Видно, что учет КЛР приводит к уменьшению пикировки выхода ББ

реакции и расчетный профиль с учетом КЛР хорошо соответствует экспериментальным данным. Абсолютные потоки продуктов DD реакции также находятся в удовлетворительном согласии с расчетом.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты, полученные в работе:

♦ * создана система измерения; пространственного профиля потоков продуктов DD реакции на на установке ГДЛ;

♦ модернизирована система томсоновского рассеяния, что позволило существенно увеличить возможности диагностического комплекса установки ГДЛ в области изучения удержания быстрых ионов;

♦ впервые экспериментально продемонстрирована продольная пикировка потока продуктов термоядерной реакции в ГДЛ при наклонной инжекции дейтериевых пучков;

♦ проведено хордовое измерение поперечного профиля потока продуктов DD реакции;

♦ построена математическая модель, позволяющая моделировать пространственный профиль выхода продуктов термоядерных реакций в экспериментах на установке ГДЛ с учетом конечного лармо-ровского радиуса; .

♦ проведено сравнение результатов измерения продольного профиля потока продуктов термоядерной реакции с результатами численного моделирования, которое позволяет сделать вывод о соответствии кинетики торможения и углового рассеяния быстрых дейто-нов предсказаниям теории парных кулоновских столкновений.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Maximov V. V. Study of Electron Temperature Profiles in GDT During Neutral Beam Heating by Thomson Scattering System.// Proc. of the International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, Novosibirsk, Russia, July 27-31, 1998. Transactions of Fusion Technology (ANS). - January 1999. - Vol.35, No IT. - P.362-365.

2. Корнилов B.H., Максимов В.В. СпинтилляционньШ датчик протонов и нейтронов - продуктов dd-реакции // ПТЭ. - 2001. - N 2. -С.96-100.

3. АникеевА.В., БагрянскийП.А., ИвановА.А.,КарпушовА.Н., Максимов В.В., Мурахтин СВ. Ионно-горячая плазма с высоким энергосодержанием в газодинамической ловушке Физика Плазмы. -1999: - Т.25, N б. - С.499-509.

4. Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Karpushov A.N., Kornilov V.N., Maximov V. V, Murakhtin S.V., Noack K., Smirnov A. Yu. Study of Hot-Ion Plasma Confinement in the Gas-Dynamic Trap // Proc. of the 26th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Maastricht, 14-18 June, 1999. Contributions ECA.-Vol.23J.-P.1781-1784.

5. Anikeev A.V., Bagryansky P.A.,. Ivanov A.A.,. Karpushov A.N., Kornilov V.N., Lizunov A.A., Maximov V.V., Noack K. Study of the Axial Distribution of DD Reaction Intensity in the GDT Experiments // Proc. of the 27th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Budapest, 12-16 June, 2000.' Contributions ECA.-V61.24B. -P.924-927. .

6. Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Karpushov A.N., Korepanov S.A., Maximov V.V., Murachtin: S.V., Smirnov A.Yu., Noack K., Otto G. Fast ion relaxation and confinement in the gas dynamic trap // Nuclear Fusion. - 2000. - Vol.40, No 4. - P.753-765.

7. Ivanov A.A., Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Karpushov A.N., Korepanov S.A., Kornilov V.N., Lizunov A.A., Maximov V. V, Murakhtin S.V. High Pressure Plasma Confinement and Stability Studies in Gas Dynamic Trap.// Proc. of the International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, 3-6 July 2000, Tsukuba, Japan. Transaction of Fusion Technology (ANS). - January 2001.-Vol.39, No IT.-P.127-132.:

8. Anikeev A.V., Bagryansky. P.A., Ivanov A.A.,. Karpushov A.N., Kornilov V.N., Maximov. V. V.,. Noack K. Axial. Distribution of DD Neutron Yield in GDT Under Skew Injection of Deuterium Neutral Beams // Proc. of the International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, 3-6 July 2000, Tsukuba, Japan. Transaction of Fusion Technology (ANS). - January 2001. - Vol.39, No IT. - P.213-216.

9. Ivanov A.A '.y Abdrashitov G.F., Anikeev A. V, Bagryansky P.A.", Deichuli P.P., Karpushov A.N., Korepanov S.A., Lizunov A.A., Maximov V.V., Murakhtin S.V., Smirnov A.Yu., Zouev A.A., Noack K., Otto G. GDT Device. Recent results and future plans for GDT upgrade // Proc. of the International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, 1-4 July 2002, Jeju Island, Korea. Transaction of Fusion Technology (ANS). - January 2003. - Vol.43, No IT. - P.51-57.

10. Bagryansky P.A., Anikeev A.V., Ivanov A.A., Maximov V.V., Murakhtin S. V, Noack K. Axial profile measurements of DD product

yield in the GDI central cell // Proc. of the International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, 1-4 July 2002, Jeju Island, Korea. Transaction of Fusion Technology (ANS). - January 2003. - Vol.43, No IT.'- P.259-261.

11. Ivanov A.A., Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Deichuli P.P., KorepanovS.A, LizunovA.A.f Maximov V.V., MurakhtinS.V., Savkin V. Ya., Den Hartog D.J., Fiksel G., Noack if. Experimental Evidence of High-Beta Plasma Confinement in an Axially Symmetric Gas Dynamic Trap // Phys. Rev. Lett. -2003. - Vol.90, No 10. - P.105002.

12. Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A".A., Lizunov A.A., Maximov V.V., NoackK, Prikhodko V. V.StepanovD.N. Spatial Profiles ofthe DD Product Yield in the GDT Experiments // Proc. of the 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St Petersburg, July 7-11, 2003. Contributions ECA.-Vol.27A. - P-2.190(l-4).

Список литературы

[1] Мирное В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая линейная ловушка для удержания плазмы // Письма в ЖТФ. -1979. - Т.5, N 11. - С.678-682..

Щ Мирное В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка // В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. - М.: ЦНИИАТОМИНФОРМД980. - Вып.1(5). - С.57-66.

[3J КотельниковИ.А., Рютов Д.Д., Цидулко Ю.А., Катышев В.В., Ко-мин А.В., Кривошеее В.М. Математическая модель источника нейтронов на основе газодинамической ловушки. - Новосибирск, 1990 (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 90-105).

[4] Kruglyakov E.P. High Power 14 MeV Neutron Sources for Test of Materials •// Proc. of the International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, Novosibirsk, Russia, July 27-31, 1998. Transactions of Fusion Technology (ANS). - January 1999. - Vol.35, No IT. - P.20-29;

[5] Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Karpushov A.N., Korepanov S.A.. ЛMaximov V.V., Murachtin S.V.,. Smirnov A.Yu., Noabk К:} ОШ G. Fast iori relaxation and confinement in the gas dynamic trap // Nticiear Fiisibii: - 209d: - ШЛд, Ш 4. - £753-766.

[6] Пучеров Н.Н., Романовский СВ., Чеснокова Т.Д. Таблицы тормозной способности и пробегов заряженных частиц с энергией 1-100 МэВ. -Киев: Наукова думка, 1975.

Максимов В. В.

Термоядерные реакции в газодинамической ловушке с инжекцией дейтонов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 23.01.2004 г. Подписано к печати 24.01.2004 г. Формат 100x90 1/16 Объем 1,4 печл., 1,1 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ М 5

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Вудкера СО РАН Новосибирск, 630090, пр. академика Лаврентьева л 11.

И-ЗЗОб

Введение

1 Установка ГДЛ

1.1 Конструкция установки.

1.2 Вакуумная система.

1.3 Магнитная система.

1.4 Система создания предварительной плазмы.

1.5 Система атомарной инжекции.

1.6 Сценарий эксперимента

2 Основные диагностики

2.1 Томсоновское рассеяние.

Рубиновый лазер.

Оптическая схема.

Юстировка лазера и оптической схемы.

Калибровки.

Регистрация электрических сигналов и обработка данных

2.2 Измерения потоков продуктов DD реакции

Метод регистрации частиц.

Конструкция датчика.

Система регистрации сигнала.

Обработка сигналов.

2.3 Другие диагностики.

3 Численное моделирование продольного профиля выхода продуктов термоядерных реакций

3.1 Термоядерные реакции в плазме ГДЛ.

3.2 Стационарная модель распределения нейтронного потока для однородной плазмы.

3.3 Особенности моделирования при помощи кода MCFIT.

4 Результаты измерений и их интерпретация

4.1 Особенности измерения потоков 3.02 МэВ протонов и 2.45 МэВ нейтронов на ГДЛ.

4.2 Пространственные профили потоков продуктов термоядерной реакции.

Хордовые измерения потока 3.02 МэВ протонов.

Продольный профиль потока 3.02 МэВ протонов: сравнение результатов измерений и численного моделирования

Газодинамическая ловушка (ГДЛ), идея создания которой принадлежит В.В. Мирнову и Д.Д. Рютову [1], появилась благодаря стремлению увеличить время удержания плазмы по сравнению с классической зеркальной ловушкой [2,3] без привлечения непроверенных новых принципов. В отличие от зеркальной ловушки, где удержание бесстолкновительных частиц плазмы обусловлено законами сохранения энергии и магнитного момента, ГДЛ предназначена для удержания столкновительной плазмы с изотропным в пространстве скоростей максвелловским распределением частиц. Условие столкнови-тельности выражается в том, что длина свободного пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь много меньше длины системы:

L» Xii'lnRm/Rm, (0.1) где \ц - длина свободного пробега ионов относительно рассеяния на угол порядка единицы, L - длина ловушки, Rm - пробочное отношение, которое в ГДЛ предполагается большим (Rm 1). В этих условиях механизм удержания частиц плазмы аналогичен удержанию столкновительного газа в сосуде с малым отверстием. Время удержания плазмы в такой ловушке легко определить при помощи простой газодинамической оценки: т « L • Rm/vi, (0.2) где Vi - средняя тепловая скорость ионов, что и служит оправданием названия системы.

Очень важным достоинством газодинамической ловушки является простая и надежная физика продольного удержания плазмы. Легко видеть, что продольные потери частиц в ГДЛ практически не зависят от скорости рассеяния [4]. Чтобы получить нужное для реакторных приложений время удержания, необходимо увеличить пробочное отношение, насколько это допускается техническими ограничениями, и соответственно увеличить длину ловушки.

Другим замечательным достоинством газодинамической ловушки является возможность достижения МГД устойчивости плазмы в рамках осесим-метричной конфигурации магнитного поля [1,4]. Это возможно благодаря относительно высокой плотности плазмы, истекающей в запробочную область — расширитель, где кривизна силовых линий магнитного поля может быть сделана благоприятной для обеспечения МГД устойчивости плазмы в ловушке. Для усиления стабилизирующего действия в некоторых случаях целесообразно заменить расширитель на МГД-якорь другого типа, например на антипробкотрон (касп) [5,6]. Важно отметить, что газодинамическая ловушка обладает еще одним очень важным достоинством, характерным для магнитных систем открытого типа (пробкотронов). Согласно результатам теоретического анализа МГД устойчивость в ГДЛ сохраняется при высоких значениях плазменного (3 (/? = 87т • Р/В2 - отношение давления плазмы к давлению магнитного поля), вплоть до /3 = 0.3 — 0.7 [7].

Пожалуй главный недостаток ГДЛ, с точки зрения реакторных приложений, заключается в том, что при использовании технически достижимых на сегодняшний день магнитных полей в пробках минимальная длина термоядерного реактора на ее основе равна нескольким километрам [4]. Такая длина сегодня кажется слишком большой, однако принципиально не закрывает перспективы развития термоядерных реакторов на основе ГДЛ в будущем. Более того, вероятные прорывы в области технологий создания сверхсильных магнитных полей (к примеру, достижения мегагауссных напряженностей с использованием теплых сверхпроводников) могли бы сделать газодинамическую ловушку весьма привлекательной с точки зрения перспектив использования в качестве термоядерного реактора.

Тем не менее, более реалистичным на сегодняшний день кажется предложение использовать ГДЛ в качестве нейтронного источника, т. е. термоядерного реактора с высокой плотностью нейтронного потока и относительно низким КПД [8]. Источник нейтронов DT реакции с энергиями близкими к 14 МэВ и плотностью мощности потока ~ (1 - 4) МВт/м2 сегодня становится все более необходимым для специалистов в области термоядерного материаловедения, перед которыми стоит одна из сложнейших проблем термоядерных исследований - задача поиска материалов, обладающих адекватной нейтронной стойкостью, для создания первой стенки будущих DT реакторов [9]. Существуют также предложения использовать нейтронные источники такого типа для дожигания радиоактивных отходов и в качестве драйверов подкри-тических реакторов деления.

Рассмотрим кратко физические основы проекта источника нейтронов на базе газодинамической ловушки, а также его отличительные особенности, следуя [10]. Главной частью установки (см. рис. 0.1) является осесимметрич-ный пробкотрон длиной «10 метров с пробочным отношением Rm ~ 20, предназначенный для удержания двухкомпонентной плазмы. Одна из компонент — столкновительная мишенная плазма с изотропной в пространстве скоростей максвелловской функцией распределения частиц — имеет температуру электронов и ионов 0.5 - 1.0 кэВ и плотность (2 — 5) • 1014 см-3. Для этой компоненты характерен газодинамический режим удержания, так как длина пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь не превышает длину ловушки. Другая компонента — быстрые ионы с энергиями, лежащими в термоядерном диапазоне. Быстрые ионы образуется в результате мощной атомарной инжекции. Для данной компоненты характерен бесстолкно-вительный, адиабатический режим удержания. Популяция быстрых ионов, в свою очередь, имеет две компоненты, а именно дейтоны и тритоны, которые, сталкиваясь, вступают в термоядерные реакции. Энергия атомарной инжекции при этом предполагается 100 - 130 кэВ при мощности 20 - 60 МВт.

Рис. 0.1: Конструкция источника нейтронов на основе газодинамической ловушки [10].

Плотность и температура мишенной плазмы, а также энергия частиц в атомарных пучках находятся в таком соотношении, что характерное время торможения быстрых ионов оказывается много меньшим, чем характерное время их рассеяния на угол порядка единицы. Атомарная инжекция ведется под углом около 30° по отношению к оси установки. При этом быстрые ионы, совершая продольные баунс-колебания между точками остановки, сохраняют малый угловой разброс, характерный для инжектированных атомарных пучков. В этих условиях, вблизи областей отражения частиц продольный профиль плотности быстрых ионов, а следовательно и профиль потока нейтронов за счет термоядерных реакций оказываются пикированными. Таким образом, наклонная инжекция нейтральных атомов позволяет разнести в пространстве область захвата пучков и зону испытаний нейтронного генератора (см. рисунок 0.2). Кроме того, это позволяет минимизировать отрицательный вклад быстрых ионов в магнитогидродинамическую (МГД) устойчивость двухкомпонентной плазмы при правильном выборе формы силовых линий. Существуют даже предложения по МГД стабилизации плазмы при помощи популяции быстрых ионов, для чего предполагается использовать специальную конфигурацию магнитного поля с благоприятной в смысле МГД устойчивости кривизной силовых линий вблизи областей отражения быстрых ионов [11,12]. В месте с тем, наклонная инжекция эффективно уменьшает анизотропию их функции распределения в пространстве скоростей, что в свою очередь благоприятно влияет на микроустойчивость популяции быстрых ионов.

Роль мишенной плазмы заключается в том, что она, во-первых, обеспечивает захват пучков, во-вторых, осуществляет МГД стабилизацию двухкомпонентной плазмы. Кроме того, наличие теплых ионов с изотропным в пространстве скоростей распределением позволяет стабилизировать микронеустойчивости, вызванные анизотропией углового распределения быстрых ионов [13]. расширитель пробки пучки пробки

Рис. 0.2: Конфигурация магнитного поля и продольное распределение плотности плазмы в проекте источника нейтронов на основе газодинамической ловушки.

Проект источника нейтронов на основе ГДЛ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими подобными проектами на базе систем для магнитного удержания плазмы [14,15,16]. Это прежде всего осесимметричная геометрия, благоприятные условия для стабилизации МГД и кинетических неустойчи-востей. Подробный обзор теоретических работ по удержанию плазмы в ГДЛ опубликован в [17].

Для экспериментального исследования удержания плазмы в газодинамической ловушке была создана и успешно работает в течение ряда лет в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН установка ГДЛ. На установке осуществляется моделирование физических процессов в источнике нейтронов при меньшем уровне параметров плазмы, а также проводится ряд исследований, направленных на изучение физики удержания плазмы, как в газодинамической ловушке, так и в открытых магнитных системах других типов.

Одним из наиболее важных элементов программы исследований на установке ГДЛ является изучение удержания быстрых ионов [18]. Этот пункт программы подразумевает подробное изучение кинетики торможения и рассеяния быстрых ионов, выявление роли возможных механизмов аномальных потерь, таких как рассеяние на микрофлуктуациях в плазме, нарушение адиабатичности движения, вызванное несовершенством магнитной системы, и т. д. Следует подчеркнуть, что в источнике нейтронов скорость рассеяния быстрых ионов должна быть близка к классической, определяемой парными кулоновскими столкновениями. Наличие аномалий в скорости рассеяния, не вызывающее еще существенного уменьшения времени удержания за счет ухода частиц в конус потерь, приводит к уширению угловой функции распределения быстрых ионов, что неминуемо влечет за собой уменьшение пикировки продольного профиля потока нейтронов и тем самым снижает эффективность нейтронного генератора.

В предыдущих экспериментах на установке ГДЛ релаксация быстрых ионов была исследована экспериментально и численно с использованием компьютерных кодов, основанных на теории кулоновских столкновений. Детальные сравнения скорости торможения, энергетических и угловых распределений быстрых ионов, которые были измерены в эксперименте и получены численно, позволили заключить, что с точностью до ошибок измерений парные кулоновские столкновения определяют релаксацию горячих ионов. Не наблюдался также в экспериментах аномальный поперечный перенос быстрых ионов в режимах с высоким значением /3 [19].

Выводы, сделанные в [19] относительно кулоновской кинетики релаксации и рассеяния быстрых ионов в ГДЛ, имеют определяющее значение для развития проекта генератора нейтронов на основе газодинамической ловушки. В связи с этим было принято решение провести дополнительные эксперименты, независимо подтверждающие результаты исследований, описанных в [19].

Одним из таких экспериментов, является прямое моделирование нейтронного источника при сильно уменьшенном выходе термоядерной реакций. Такое моделирование можно осуществить путем замены пучков атомов водорода, инжектируемых в мишенную плазму, на дейтериевые пучки. При столкновениях быстрых дейтонов между собой, а также с дейтонами мишенной плазмы (если она дейтериевая) возможны термоядерные реакции, продуктами которых являются протоны с энергией 3.02 МэВ, тритоны с энергией 1.01 МэВ, нейтроны с энергией 2.45 МэВ и альфа-частицы Не3, обладающие энергией 0.82 МэВ. Эти компоненты рождаются приблизительно в равных пропорциях.

Абсолютная величина интенсивности термоядерной реакции очень чувствительна к плотности и энергетическому распределению быстрых ионов. Кроме того, продольное распределение потока продуктов DD реакции связано с функцией распределения быстрых ионов по углу и чувствительно к ширине их углового распределения.

Методы регистрации заряженных частиц и нейтронов с энергиями около 1 МэВ, используемые в ядерной физике и физике элементарных частиц, в принципе, позволяют «поштучно» регистрировать частицы и с достаточной точностью производить анализ их энергий.

Таким образом, метод дополнительной проверки результатов изучения удержания быстрых ионов может заключаться в сравнении измеренного продольного профиля потока продуктов DD реакции из плазмы ГДЛ с результатами расчетов. Такой подход к методике перекрестной проверки результатов изучения удержания быстрых ионов был принят в программе исследований на установке ГДЛ. Его реализация и являлась целью данной работы. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

• создать необходимую аппаратуру для измерения пространственного про- . фил я потока продуктов термоядерной реакции на установке ГДЛ;

• произвести численное моделирование пространственных профилей выхода продуктов DD реакции при инжекции пучков атомарного дейтерия, основанное на теории кулоновских столкновений и учитывающее специфику эксперимента на ГДЛ;

• провести измерения пространственного профиля потока продуктов термоядерной реакции и экспериментально продемонстрировать пикировку продольного профиля;

• сравнить результаты измерений с результатами численного моделирования, сделать вывод о соответствии кинетики торможения и углового рассеяния быстрых дейтонов предсказаниям теории парных кулоновских столкновений.

Диссертационная работа имеет следующую структуру. В первой главе описаны особенности установки ГДЛ и временная последовательность работы ее систем. Глава заканчивается таблицей с параметрами установки ГДЛ для используемого в данной работе режима. Во второй главе описаны наиболее важные диагностики, которые включали в себя модернизированное томсоновское рассеяние, обеспечивающее измерение температуры электронов в различных радиальных положениях, и разработанные для этих экспериментов датчики потока продуктов DD реакции (3.02 МэВ протонов и 2.45 МэВ нейтронов). Приведены процедуры обработки сигналов обеих диагностик. В третьей главе приведены сечения термоядерных реакций и описаны математические модели, привлекаемые для объяснения полученных экспериментальных результатов. В четвертой главе приведены результаты измерения продольного и поперечного профилей потока продуктов DD реакции и проведено сравнение с результатами расчетов. Показано существенное влияние величины ларморовского радиуса на измеряемые профили и абсолютную величину выхода продуктов DD реакции. Результаты работы позволяют сделать вывод, что парные кулоновские столкновения определяют кинетику торможения и углового рассеяния быстрых дейтонов. В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

Заключение

В заключении приведем основные результаты и выводы диссертационной работы:

• создана система измерения пространственного профиля потоков продуктов DD реакции на установке ГДЛ;

• модернизирована система томсоновского рассеяния, что позволило существенно увеличить возможности диагностического комплекса установки ГДЛ в области изучения удержания быстрых ионов;

• впервые экспериментально продемонстрирована продольная пикировка потоков продуктов термоядерной реакции в ГДЛ при наклонной инжекции дейтериевых пучков;

• проведено хордовое измерение поперечного профиля потока продуктов DD реакции;

• построена математическая модель, позволяющая моделировать пространственный профиль выхода продуктов термоядерных реакций в экспериментах на установке ГДЛ с учетом конечного ларморовского радиуса;

• проведено сравнение результатов измерения продольного профиля потока продуктов термоядерной реакции с результатами численного моделирования, которое позволяет сделать вывод о соответствии кинетики торможения и углового рассеяния быстрых дейтонов предсказаниям теории парных кулоновских столкновений.

В заключение автор выражает глубокую признательность научным руководителям д.ф.-м.н. Иванову Александру Александровичу и д.ф.-м.н. Ба-грянскому Петру Андреевичу за плодотворные обсуждения и постоянную помощь в работе. Автор выражает также искреннюю благодарность А.В. Аникееву, А.А. Лизунову, С.В. Мурахтину, А.А. Зуеву, А.Н. Карпушову, Ю.А. Цидулко, В.В. Приходько, А.Н. Шукаеву, Д.Н. Степанову, В.Н. Бородкину, Л.В. Анкудинову и другим сотрудникам лаборатории 9-1 оказавшим большую помощь на разных этапах работы.

1. Мирное В.В., Рютов Д-Д- Газодинамическая линейная ловушка для удержания плазмы // Письма в ЖТФ. - 1979. — Т.5, N 11. — С.678-682.

2. Бишоп А. Проект Шервуд. — М.: Госатомиздат, 1960. — 76 с.

3. Мирное В.В., Рютов Д. Д. Газодинамическая ловушка // В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. — М.:ЦНИИАТС)МИНФОРМ,1980. Вып.1(5). - С.57-66.

4. Бушкова О.А., Мирное В. В. Влияние конфигурации магнитного поля на МГД устойчивость газодинамической ловушки // В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. — М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1986. Вып.2. - С.19-24.

5. Котельников И.А., Рютов Д.Д., Цидулко Ю.А., Катышев В.В., Комин А.В., Кривошеее В.М. Математическая модель источника нейтронов на основе газодинамической ловушки. — Новосибирск, 1990 (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 90-105).

6. Hinton F.L., Rosenbluth M.N. Stabilization of axisymmetric mirror plasmas by energetic ion injection // Nuclear Fusion. — 1982. — Vol.22, No 12. — P.1547-1557.

7. Котельников И.А., Росляков Г.В., Рютов Д.Д. Стабилизация желобко-вых возмущений в осесимметричной открытой ловушке с плещущимися ионами // Физика плазмы. — 1987. — Т.13, вып.4. — С.403-411.

8. Post R.F. The Magnetic Mirror Approach to fusion // Nuclear Fusion. — 1987. Vol.27, No 10. - P.1579-1739.

9. A Tandem Mirror Fusion Engineering Test Facility. — Livermore: Laurence Nat. Lab., 1983. — (Preprint/LLNL UCID-19328).

10. TASKA-M. A Low Cost, Near Term Tandem Mirror Device for Fusion Technology Testing. — Karlsruhe, Kernforschungszentrum Karlsrue GmbH, 1984. (KFK report UWFDM-600).

11. Kawabe Т., Hiroyama S., Kozaki Y., Yoshikawa K. et al. // Fusion Technology. 1986. - Vol.2. - P.l.

12. Мирное В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка // В сб. Итоги науки и техники. Серия Физика плазмы. — М.: ВИНИТИ, 1988. — Т.8. — С.77-130.

13. Аникеев А.В., Багрянский П.А., Иванов А.А.,Карпушов А.Н., Максимов В.В., Мурахтин С.В. Ионно-горячая плазма с высоким энергосодержанием в газодинамической ловушке // Физика Плазмы. — 1999. — Т.25, N 6. С.499-509.

14. Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Karpushov A.N., Korepanov S.A., Maximov V. V., Murachtin S. V., Smirnov A. Yu., Noack K.,

15. Otto G. Fast ion relaxation and confinement in the gas dynamic trap //

16. Nuclear Fusion. 2000. - Vol.40, No 4. - P.753-765.

17. Давыденко В.И., Димов Г.И., Морозов И. И. и др. Многоамперный ши-рокоапертурный импульсный ионный источник СТАРТ-3 // В сб. Тез. докл. 6-й Всесоюзной конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. — Днепропетровск, 1986. — С.97.

18. Бендер Е.Д. Импульсный сорбционный насос с электродуговым протяженным испарителем титана. — Новосибирск, 1981. — (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 81-45).

19. Бендер Е.Д. Протяженные дуговые испарители титана. — Новосибирск, 1981. — (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 81-46).

20. Бендер Е.В., Димов Г. И. Электродуговой испаритель титана с трехфазным токоподводом // Приборы и техника эксперимента. — 1988. — N 5.- С.129-131.

21. Давыденко В.И., Иванов А.А., Козъминых Ю.Л. и др. Экспериментальная модель газодинамической ловушки. — Новосибирск, 1986. — (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 86-104).

22. Димов Г.И., Иванов А.А., Росляков Г.В. Получение и исследование струи мишенной плазмы для открытой ловушки // Физика плазмы. — 1982. Т.8, вып.5. - С.970-978.

23. Osher J.E. Plasma target output from a magnetically augmented, gas-injected, washer-stack plasma gun // Rev. Sci. Instr. —1982. — Vol.53, No 11.- P.1685-1692.

24. Корнилов В.Н., Максимов В. В. Сцинтилляционный датчик протонов и нейтронов продуктов dd-реакции // ПТЭ. — 2001. — N 2. — С.96-100.

25. Квашнин А.Н., Моисеев Д.В., Хилъченко А.Д. Регистраторы однократных импульсных сигналов ADC824 // ПТЭ. — 1999. — N 3. С.81-85.

26. CERN Program Library: PAW Physics Analysis Workstation. An Introductory tutorial. — CERN, Application Software Group Computing and Network Division, 2000. http://wwwinfo.cern.ch/asd/cernlib/

27. Пучеров H.H., Романовский С.В., Чеснокова Т.Д. Таблицы тормозной способности и пробегов заряженных частиц с энергией 1-100 МэВ. — Киев: Наукова думка, 1975.

28. Курнаев В.А., Машкова Е.С., Молчанов В.А. Отражение легких ионов от поверхности твердого тела. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 192 с.

29. Huba J.D. NRL plasma formulary // Beam Physics Branch Plasma Physics Division Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375, 1998.

30. Мирное В.В., Нагорный В.П., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка с двухкомпонентной плазмой. — Новосибирск, 1984. — (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 84-40).

31. Рютов Д.Д. Захват быстрых атомов в газодинамической ловушке. — Новосибирск, 1985. — (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 8532).

32. MCNP A General Monte Carlo N-Particle Transport Code. Version 4B, (1997), edited by Judith F. Briesmeister

33. Anikeev A.V., Noack К., Otto G. Numerical Studies of Nesutron Distributions in GDT Experiment // Proc. of the 26th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Maastricht, 14-18 June, 1999. Contributions ECA.-Vol.23J. P.1497-1500.

34. Gorbovsky A.I., Mishagin V.V., Lev V.N. et al Hydrogen prototype of a plasma neutron source. — Novosibirsk, 1995. — (Preprint/Budker In»st. of Nucl. Physics; 95-90)!