Удержание и нагрев плазмы в газодинамической ловушке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

р Г Б ОЙ

. ^ г "Т ''> На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Александрович

УДЕРЖАНИЕ И НАГРЕВ ПЛАЗМЫ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОВУШКЕ

01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОР ЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1994

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Димов Геннадий Иванович

Юшманов Евгений Евгеньевич

Терешин Владимир Иванович

Ведущая организация:

— член-корр. РАН, Институт ядерной физики

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

— доктор физико-математических наук, Институт ядерного синтеза Российского научного центра, "Курчатовский институт", г.Москва.

— доктор физико-математических наук, Институт физики плазмы Национального научного центра "Харьковский физико-технический институт", г. Харьков.

Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, г.Троицк, Московская область.

« ¡6 -

Защита диссертации состоится " /О " ¡(РЛЪЬЗ) г.

" 1 () " часов на заседании специализированного совета Д.002.24.С 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 СО РАН.

Автореферат разослан " /4 " СУХу^^!/) 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета академик Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие направления открытых магнитных вушек для удержания плазмы привело в конце 70-х годов к появле-ю ряда предложений по улучшению характеристиек этих систем. Это ло связано с осознанием того, что классический пробкотрон Будкера-|ста, даже в отсутствие аномальных механизмов рассеяния ионов, не жет обеспечить коэффициент усиления ф больше 1.3-1.5. Появивши-[ новые схемы открытых ловушек (центробежная, с обращением поля, биполярная и др.) позволяют, в принципе, достичь С} 3>1. Вместе с тем, и значительно более сложны в технической реализации и основываются более "тонкой" физике, до сих лор надежно не проверенной. В 1976 году в Институте ядерной физики им.Г.И.Будкера В.В. фновым и Д.Д.Рютовым была предложена схема т.н. газодинамиче->й ловушки, которая при сохранении технической простоты системы, еет более надежную физику продольного удержания по сравнению с эбкотроном Будкера-Поста и другими известными типами предложен-х позже открытых ловушек.

Газодинамическая ловушка (ГДЛ) представляет собой длинный ак-шьно-симметричный пробкотрон с большим пробочным отношением ! ^>1 и длиной, превышающей длину рассеяния ионов в конус потерь

Ь > ЛЦ т-

и выполнении этого неравенства всюду внутри ловушки, за исключе-;м коротких областей вблизи магнитных пробок, устанавливается изо->пное максвелловское распределение ионов. Вытекание плазмы через

пробки происходит в этом случал со скоростью порядка ионно-звуково что дает оценку для времени жизни плазмы в такой ловушке

г ~ Ь х Я/иг,-.

В отличие от пробкотрона с бесстолкновительной плазмой, для которо т ~ Гц 1а Нт, время жизни в ГДЛ прямо пропорционально длине ловунп и пробочному отношению. Делая эти величины большими, можно пол чить достаточно большие времена жизни плазмы, в том числе приемл мые и для реактора.

Газодинамическая ловушка имеет ряд довольно существенных дост инств: Во-первых, увеличение скорости рассеяния ионов по сравнению кулоновской не приводит к заметному увеличению скорости продольнь потерь. В каком-то смысле, в ГДЛ скорость продольных потерь плазм максимально возможная. Во-вторых, наиболее опасные для удержан! быстрые МГД-неустойчивости могут быть стабилизированы в рамк аксиально-симметричной геометрии магнитного поля. Это обстоятел ство связано с тем, что давление и плотность плазмы в запробочных обл стях, в отличие от обычного пробкотрона, не пренебрежимо мало по сра нению с их значениями в центре ловушки. Делая кривизну силовых лит в этих областях благоприятной и достаточно большой, оказывается в< можным выполнить условия стабилизации наиболее опасных желобков] мод. В-третьих, аксиальная симметрия магнитного поля ловушки, явл ясь сама по себе существенным техническим преимуществом, исключа проявление "неоклассических" эффектов, связанных с невложенносп дрейфовых оболочек ионов. В экспериментах на амбиполярных лову] ках было показано, что эти эффекты могут приводить к значительно! возрастанию поперечного переноса.

Перспективы создания на основе ГДЛ термоядерного реактора в в стоящее время не вполне ясны. Оценки требуемой длины такого реакто с магнитным полем в пробках ~30 Т (что соответствует достигнута уровню развития техники сверхпроводников) дают величину 3-5км к лометров при мощности систем нагрева несколько Гигаватт. Эти вех чины кажутся неоправданно большими, однако следует напомнить, ч основной объем составляют простые аксиально-симметричные катушк полем 1.0-1.5 Т и что дальнейший прогресс в увеличении полей теши сверхпроводников до величины 40-50 Т может существенно увеличи конкурентоспособность газодинамической ловушки-реактора.

Очень важным возможным применением газодинамической ловуш является создание на ее основе источника 14Мэв нейтронов для испьг ний материалов и других приложений. Наиболее подходящим для этх

шяется вариант ГДЛ с многокомпонентной плазмой, которая создается ловушке при инжекции в относительно холодную, с температурой ~ кэВ, мишенную плазму под небольшим углом 20° — 30") к оси ато-фных пучков дейтерия и трития с энергией —100 кэВ и угловым раз-юсом ~ 1". При этом в ловушке образуется популяция быстрых ионов, вершающих продольные колебания между точками остановки. Вслед-вие относительно низкой температуры мишенной плазмы, торможение I ней быстрых ионов идет гораздо быстрее чем рассеяние. Таким обрам, ширина углового распределения ионов в процессе торможения оста-ся достаточно узкой, не слишком сильно отличающейся от начальной, этом случае, вблизи точек остановки плотность быстрых ионов значи-льно больше, чем в центре ловушки. В этих областях поток нейтронов -Т-реакции может достигать нескольких Мвт/т2, что соответствует ловиям работы первой стенки токамака-реактора.

Существенное достоинство нейтронного генератора на основе ГДЛ со-оит в том, что в нем достижимы — 1, что позволяет создать от->сительно компактную установку с малой потребляемой мощностью и исходом трития. Необходимость создания такого источника для ускорен-то испытания материалов и узлов будущего термоядерного реактора-гамака в настоящее время общепризнанна.

Основу настоящей работы составляют результаты по исследованию ГД-устойчивости и энергобаланса плазмы в экспериментальной модели зодинамической ловушки в Институте ядерной физики им.Г.И.Будкера Э РАН.

Цель работы состояла:.

• в экспериментальной проверке механизма стабилизации МГД-неус-тойчивости потоком вытекающей из ловушки плазмы;

• определении границ МГД-устойчивого удержания плазмы по различным параметрам;

• изучении МГД-устойчивости двухкомпонентной плазмы с быстрыми ионами при инжекции мощных атомарных пучков в ГДЛ;

• исследовании баланса частиц и энергии одно- и двухкомпонентнЬй плазмы (при пучковом нагреве) в устойчивых и неустойчивых режимах удержания;

• выявлении возможных аномалий в скорости рассеяния быстрых ионов в результате развития микронеустойчивостей.

Научная новизна.

В работе впервые экспериментально изучена стабилизация жело ковой неустойчивости в аксиально-симметричной открытой магнит» ловушке потоком вытекающего через пробки плазмы. Исследованы пр делы устойчивости в зависимости от пробочного отношения, кривизн силовых линий магнитного поля в центральной части ловушки и в э пробочных областях-расширителях.

Детально изучены характеристики неустойчивых колебаний, разв вающихся при нарушении интегрального критерия устойчивости. В хо выполнения работы впервые, путем изменения характеристик удержиЕ ющего магнитного поля и плазмы, удалось проследить изменение спе тра неустойчивых желобковых возмущений от режима, когда неустойч выми являются азимутальные гармоники в широком спектре, до факт: чески одномодового режима, когда неустойчива только первая гармони т = 1.« Результаты этих измерений хорошо согласуются с теорией, уч тывающей эффекты конечного ларморовского радиуса ионов и влиян ограничивающих плазму по радиусу проводящих лимитеров.

Разработан источник плазмы для заполнения экспериментальн установки. Определен оптимальный сценарий и разработаны необход мые тех. средства для проведения распадного эксперимента, что поз! лило провести эксперименты по исследованию МГД-устойчивости и i греву плазмы в ГДЛ с помощью мощной атомарной инжекции (15 кэ 3.5-4 МВт, длительность — 0.25-1 мс).

Разработан пакет программ для расчета параметров плазмы при i греве атомарными пучками и обработки полученных экспериментальн! данных.

Исследовано несколько типов МГД-стабилизаторов: расширитель антипробкотрон (касп).

Исследован баланс частиц и энергии в ловушке в режимах с дополз тельным нагревом и без него. Показано, что энергобаланс быстрых i нов, образовавшихся в ловушке при инжекции атомарных пучков, оп] деляется перезарядкой на остаточном газе и торможением на элект] нах основной плазмы. Изучение их угловых характеристик показало, ч скорость углового, рассеяния очень близка к классической, определяем ион-ионными столкновениями. Заметного влияния микрофлуктуаций, i торые могли бы возбуждаться вследстве развития неустойчивостей г пуляции высокоэнергичных ионов, на ширину углового распределения наблюдалось.

При изучении энергобаланса основной плазмы в устойчивых ре» мах удержания показано, что доминирующим каналом потерь являет

лтекание плазмы через пробки. Время жизни в этом случае оказывайся много больше времени остывания из-за продольной электронной те-топроводности без учета теплоизолирующих свойств расширителей. В ^устойчивых режимах удержания время жизни близко к времени осты-ншя, определяющимся указанным механизмом.

Изучены режимы течения плазмы в расширителе. При низких элек-эонных температурах (2-5 эВ), характерных для режимов без нагрева гомариой инжекцией, параметры течения заметно отличаются от пред-;азываемых адиабатической и изотермической моделями. В режимах с угревом в исследованном диапазоне температур характеристики тече-,1Я близки к вычисленным для адиабатического режима течения.

В результате оптимизации системы атомарной инжекции с увеличе-1ем длительности импульса с 0.25 до 1.2 мс (что составляет несколько >емен истечения нагретой плазмы из ловушки), модернизации вакуум-эй системы установки и применения преимущественно бесконтактных етодов диагностики, удалось достичь параметров плазмы при нагреве, тизких к расчетным при учете только классических механизмов потерь, ри инжекции б атомарных пучков с энергией 14-15 кэВ, суммарной ощностью до 3.5 МВт, получена температура электронов ~50 эВ (рас-зт дает величину ~60 эВ). Плотность быстрых ионов в точках оста-эвки составляла при этом ~ 3 х 1012см_3, а величина суммарного /? чазмы ~ 10%.

Разработан ряд диагностик для исследования плазмы в газодинами-гской ловушке, в том числе предложен и экспериментально опробован етод измерений профиля плотности плазмы по измерению интенсивно-ги излучения линии На частиц инжектируемого атомарного пучка.

Научная ценность работы.

В работе изучена стабилизация МГД-неустойчивости в аксиально-шметричной магнитной ловушке потоком вытекающей через пробки эазмы. Исследованы границы устойчивости и характеристики возму-ений, развивающихся при переходе в неустойчивый режим удержания, олученные экспериментальные результаты убедительно подтверждают лводы теории МГД-устойчивости с учетом эффектов конечного лар-оровского радиуса ионов и влияния течения плазмы вдоль магнитного >ля в запробочных областях.

Измерение энергобаланса плазмы в устойчивых режимах удержания жазали, что доминирующими каналами потерь энергии популяции бы-:рых инжектируемых ионов являются перезарядка и торможение на гектронах основной плазмы, а из основной плазмы — столкновительные

потери через пробки. Эти данные, полученные при умеренных парам« трах плазмы (Те < 50 эВ, щ < 3 х 1012см-3), чрезвычайно важны дл создания мощного нейтронного генератора на основе газодинамическо ловушки. Разработанные методы создания плазмы в ГДЛ, контроля pai новесия плазменного шнура, многие специфические диагностики так» представляют интерес для использования в нейтронном генераторе, также для других перспективных типов открытых ловушек, наприме амбиполярных.

Апробация диссертации.

Основные результаты работы докладовались и обсуждались на Me» дународных конференциях по физике плазмы и УТС в Киото (1986г Ницце (1988) и Вашингтоне (1990), Международной школе в Варенн (Италия) в 1987 и 1990 годах, на международных конференциях по явл« ниям в ионизованных газах в Белграде в 1989 году и Бохуме в 1991 на ежегодной конференции отделения физики плазмы американского фг. зического общества в Сант-Луисе в 1993г., на Российско-Американско: рабочем совещании по применению открытых ловушек в термоядерны исследованиях в Ливер море в 1993г., на Международной конференции п открытым магнитным ловушкам в Новосибирске в 1993г, а также и Всесоюзном Совещании по открытым ловушкам в Москве в 1979г. и н Звенигородских конференциях в 1986-1992 годах.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Текс диссертации содержит 155 страниц, 63 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждаются особенности удержания плазмы в газоди намической ловушке в сравнении с открытыми магнитными ловушкам: других типов. Обсуждены цели работ по изучению физики ГДЛ в связи проблемой создания на ее основе мощного генератора 14 МэВ нейтроно для испытания материалов. Кратко сформулированы основные резуль таты и приведено по главам содержание диссертационной работы.

В первой главе кратко изложены основы теории продольных потер частиц и энергии, а также МГД-устойчивости плазмы в ловушке. Рас четы устойчивости проводились на основании интегрального критери: в форме, учитывающей в явном виде параксиальность магнитного пол:

вушки:

[(Р± + Р\\ + pv2)rar"ds > 0. (1)

j

;есь учтено, что в параксиальном приближении кривизна силовых лин к ~ gjj и r~H(s)/2 ~ ф = const. Неблагоприятный вклад в среднюю ивизну вносит переходный участок между центром и пробкой внутри нтралыгой части установки. Стабилизация неустойчивости происхо-;т за счет вклада запробочпых областей с благоприятной кривизной ловых линий — т.н. расширителей.

В главе 1 обсуждаются цели работ на экспериментальной модели га-цинамической ловушки и приведены основные технические характе-[стпки установки, предназначенной для проведения "распадного" им-льсного эксперимента. Установка ГДЛ (Рис. 1 представляет собой осе-мметричный пробкотрон с расстоянием между пробками 7 м. Диа-:тр вакуумной камеры центральной части — 1 м, торцевых баков-хширителей — 2.6 м. Суммарный объем вакуумной камеры около 15 В рабочем режиме давление в центральной части перед выстрелом ставляло 0.5 — 1 • Ю-6 тор.

ис. 1. Схема экспериментальной установки: 1—вакуумная камера; —катушки; 3—пробочные катушки; 4—катушка обратного поля; 5— шемник плазмы; б—источник плазмы; 7—инжектор; 8—расширитель; —ВЧ-антенна.

Магнитное поле формировалось двенадцатью катушками (2), уста-шленными непосредственно на центральной вакуумной камере, и прочными узлами (3). Его профиль на оси в центральной части был

сделан близким к оптимальному, для которого средняя неблагоприят ная кривизна силовых линий минимальна. Катушки основной магнит ной" системы запитывались от конденсаторной батареи с энергозапасо? до 1.7 Мдж импульсами тока, близкими к синусоидальным с полуперио дом ~114 мс. При максимальном напряжении на конденсаторной батарее магнитное поле в центре ловушки равнялось ~ 2.2 кЭ.

Пробочные узлы состоят из внутренней и внешней катушек. Внешня катушка включалась последовательно с катушками основной магнитно) системы, внутренняя — имела независимое питание от конденсаторно] батареи с энергозапасом до 75 кдж. Время нарастания поля внутрешга катушки пробочного узла ~ 1.5 мс, затем оно спадало с характерны) временем ~ 20 мс.

Максимальная величина поля внутренней катушки — до 110 кЭ. Ва рьируя токи в основных катушках и внутренних катушках пробочны: узлов, можно было менять пробочное отношение в пределах от 12.5 д< 100 при величине поля в центре ловушки 1-2.2 кЭ. Минимальное про бочное отношение Ят=12.5 достигалось в случае параллельного соеди нения внешних пробочных катушек, внутренние катушки в этом случае не включались.

Изменение пробочного отношения при включении внутренней про бочной катушки и включение катушки обратного поля в расширител« практически не влияло на магнитное поле в центральной части. Так ) центральной плоскости пробкотрона относительные искажения поля пр] этом < Ю-3. Это обстоятельство очень важно при интерпретации дан ных, полученных при исследовании МГД-устойчивости плазмы в уста новке.

Основные технические характеристики установки представлены в Та блице 1. В проводившихся на установке ГДЛ экспериментах фактичесю отсутствовала фаза поддержания параметров плазмы. В начале создава лась предварительная холодная плазмы с помощью плазменного источ ника, установленного в одном из торцевых баков за магнитной пробкой Когда плотность достигала нужного значения, источник ог-ключался I начинался свободный распад плазмы, характеристики которого и явля лись собственно объектом исследования. Параметры плазмы в ловуцш можно было менять в широких пределах, меняя режим работы плазме» ного источника и инжектируя в ловушку атомарные пучки.

Таблица 1. Параметры установки ГДЛ

Параметр Значение

Расстояние между пробками 7 м

Длина расширителя 1.8 м

Объем центральной вак. камеры 5 м3

Объем торцевых баков по 5 м3

Магнитное поле в пробках:

без внутренних катушек до 5.5 Т

с внутренними катушками до 15 Т

в центре до 0.22 Т

Длительность импульса тока

- в основных катушках 114 мс

- в внутренних пробочных катушках 10 мс

Энергия инжекции 8-Т-15 кэВ

Мощность инжекции до 4.3 Мвт

Длительность инжекции 0.25-г1.2 мс

Угол инжекции 45°

Начальное давление 5 -г 20 х 10~7 Тор

В заключение данной главы рассмотрена простейшая модель энерго->аланса плазмы в ловушке при инжекции атомарных пучков, с использо-¡анием которой были проведены численные расчеты параметров плазмы 1ри нагреве.

Вторая глава посвящена исследованию МГД-устойчивости плазмы фи стабилизации расширителем. В начале приведены результаты изу-1ения накопления плазмы в ловушке при различных геометриях сило-!ых линий в запробочных областях. Затем рассматриваются результаты гзучения устойчивости теплой плазмы при различной средней кривизне ¡иловых линий в ловушке. На стадии заполнения плазма сохраняла МГД-'стойчивость практически при любых конфигурациях магнитного поля, ¡©-видимому, в результате торцевой стабилизации. После отключения шазменной пушки торцевая стабилизация пропадала, что позволяло изу-1ать поведение распадающейся плазмы в "чистых" условиях. Для идентификации механизма стабилизации измерялось время жизни плазмы в говушке при различной кривизне силовых линий в расширителях. На >ис. 2 показаны временные зависимости линейной плотности плазмы ю время распада, полученные усреднением по нескольким выстрелам | каждом из режимов. Сигналы с ленгмюровских зондов, установлен-[ых на расстоянии 4.8 метра друг от друга на одной силовой линии,

I ,мс

Рис. 2. Поведение линейной плотности плазмы во время распада: 1— заполнение с включенным соленоидом источника плазмы, кривизна силовых линий в расширителе неблагоприятная; 2—соленоид источник? плазмы отключен, кривизна силовых линий в расширителях близка I нулю. 3—тоже самое при благоприятной кривизне.

регистрировали в случае неустойчивых распадов хорошо коррелирован ные возмущения плотности большой амплитуды.

Измерения структуры возмущений по азимуту с помощью наборо) зондов в ловушке и датчиков потока в расширителе показали, что в< время распада доминирует мода жесткого смещения тп— 1, т.е. плазм; как целое смещалась поперек удерживающего магнитного поля и теря лась на ограничивающих ее радиальных лимитерах.

Спектр азимутальных гармоник неустойчивых возмущений, ампли туды которых нарастали во время распада, изучался при различно] кривизне силовых линий в центральной части ловушки и ионной тем пературе плазмы. Результаты измерений зависимости ширины спектр; неустойчивых азимутальных гармоник от величины котора

пределяет влияние эффектов КЛР, приведены на Рис.3. Эта экспери-ентальная зависимость позволяет провести количественное сравнение с еорией, которое, по-видимому, следует оценить как удовлетворительное.

Для количественного исследования границ устойчивости использова-ись измерения "запаса устойчивости" С},, который определялся как аб-элютная величина отношения средней кривизны силовых линий в рас-шрителях л в центральной части ловушки. В терминах запаса устой-ивости граница перехода к неустойчивым режимам удержания соответ-гвует <Э»=1.

ш» 1 р

Рис. 3. Зависимость ширины спектра неустойчивых гармоник

от р{1т ¡Гр-

Для определение запаса устойчивости использовались две дополняющие друг друга методики. Обе основывались на контролируемом из-[енении вклада различных частей ловушки в интеграл устойчивости . В результате этих изменений достигался предел устойчивости, со-тветствующий <^=1, и с помощью простых вычислений можно было ценить величину <2, в исходном невозмущенном состоянии. Первая из рименявшихся методик основывалась на зависимости от величины

пробочного отношения йт. Поток плазмы, вытекающей в расширители меняется при изменении поля в пробке ~ Л"1 и соответственно меня ется стабилизирующий вклад расширителя в среднюю кривизну сило вых линий в ловушке. Второй способ определения запаса устойчивост: основывался на увеличении неблагоприятного вклада центральной част ловушки в критерий устойчивости 1. Это достигалось с помощью допол нительной обмотки с изменяемым числом витков, расположенной вблиз: центра установки. Включение этой обмотки приводило к возмущении оптимальной магнитной конфигурации силовых линий в центрально! части и уменьшению запаса устойчивости ловушки в целом вплоть д граничного значения <5,=1.

Следует подчеркнуть, что оба метода были совершенно независим1 и дополняли друг друга. Так при изменении как пробочного отношенш так и формы силовых линий в центре, напряженность магнитного поля расширителях изменялась менее чем на 1% (и наоборот). Это обстоятель ство сильно облегчало интерпретацию полученных данных. Зависимост времени жизни плазмы в ловушке от пробочного отношения, которое из менялось в пределах от 12.5 до 75, представлена на Рис.4.

И .отн.ед.

пг

Рис. ]). Зависимость времени жизни от пробочного отношения.

Ожидаемая линейная зависимость времени жизни от пробочного от-шения приблизительно правильно описывала экспериментальные дане для < 35. При больших пробочных отношениях время жизни азмы падало вследствие развития желобковых колебаний, приводив-[х к повышенному поперечному переносу. Так при Нт= 50 и благо-иятной геометрии магнитных силовых линий в расширителях разви-е МГД неустойчивости во время распада плазмы хорошо наблюдалось искажениям профиля плотности плазмы в процессе распада. Анализ введенных данных позволяет заключить, что в стандартном режиме 5оты установки при /?т=25 запас устойчивости С}, составляет 1.5-2. Близкая величина запаса устойчивости была получена также из ана-за приведенной на Рис.5 зависимости времени жизни плазмы от рас-гной величины вклада центральной части в среднюю кривизну. Отме-м, что измерения проводились при электронной температуре плазмы <5 эВ.

0 1 2 3 4 5 6 7

¥с .отн.ед.

Рис. 5. Время жизни плазмы в зависимости от неблагоприятного вклада центральной части в интеграл устойчивости 1.

В заключительных разделах данной главы представлены результаты

исследования течения плазмы в расширителе при различных темпер турах, а также измерений возмущений равновесия плазмы при налич] Контролируемых дипольных искажений магнитного поля ловушки.

Третья глава посвящена исследованию инжекции атомарных пучкоЕ ловушку, стабилизированную расширителями. В начале главы описыв ется система инжекции, включавшая шесть инжекторов, расположеннь симметрично двумя группами вокруг оси установки. Энергия инжект руемых пучков атомарного водорода составляла 14-15 кэВ при длител ности 0.25-1.2 мс и полной мощности инжекции до 4.3 Мвт. Пучки и жектировались в накопленную в ловушке предварительную плазму » углом 45° к оси.

В последующих разделах (3.2, 3.3) данной главы представлены р зультаты измерений профиля плотности в устойчивых и неустойчивь режимах удержания. В разделах 3.4 - 3.6 обсуждается энергобаланс м шенной плазмы и быстрых частиц, микроустойчивость быстрых ионов МГД-устойчивость нагретой мишенной плазмы.

Для выявления микронеустойчивостей, которые могли бы приводи' к увеличению скорости рассеяния быстрых ионов, измерялось их ра пределение по питч-углам в центральной части ловушки. Характер» угловое распределение, измеренное в одной из серий выстрелов при п мощи вводившегося в плазму зонда-коллектора и анализатора атом-перезарядки в режимах с длительностью инжекции 0.25 мс, предст влено на Рис.6. Анализатор регистрировал атомы перезарядки в ди пазоне энергий больше 3 кэВ. Экспериментальные точки, полученные помощью анализатора, отмечены на Рис.6 треугольниками. Измерен] проводились в моменты времени 0.1 мс и 0.2 мс после начала инже ции (последний соответствовал максимуму энергосодержания быстрь ионов). Для этих моментов времени параметры углового распределеш быстрых частиц практически совпадали. Положение максимума углово распределения плещущихся ионов приходилось на угол 45°, под кот рым велась инжекция пучков. Полуширина углового распределения ] уровне с-1 равна ~ 5°. Характерная средняя энергия в спектре атом< перезарядки составляла 7-8 кэВ. Если считать, что измеренный углов« разброс определяется ионами с такой энергией, можно оценить скорос: рассеяния. Оценки углового разброса быстрых ионов, передавших м шенной плазме с температурой Те=15 эВ половину своей энергии за сч< кулоновского рассеяния, близки к измеренной ширине углового распред ления. Следовательно, заметное аномальное рассеяние ионов и связаннь с ним продольные потери ионов в конус потерь отсутствовали.

1.0

Г(0)

отн.ед. 0.5

0

35 40 45 50 55

О,град. .

Рис. 6. Распределение быстрых ионов по углам.

Измерения радиального профиля плотности быстрых ионов показали, о в начальные моменты времени он определяется профилем мишенной азмы, а затем меняется вследствие их азимутального и радиального ейфа. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что суще-венные поперечные потери быстрых ионов отсутствуют.

Заключительный раздел данной главы посвящен исследованию МГД-гойчивости двухкомпонентной плазмы.

В результате накопления быстрых частиц и вытекания стабилизиру-цей мишенной плазмы, на распаде происходила "динамическая" потеря гойчивости, что фиксировалось по резкому возрастанию потерь энер-и из мишенной плазмы. Пользуясь полученными в этом разделе коэф-¡циентами пропорциональности между возмущением энергии в желоб-вом возмущении и энергосодержанием мишенной плазмы и быстрых нов, можно записать следующее соотношение между запасом устой-вости и отношением энергосодержаний в быстрых ионах и мишенной азме на границе устойчивости: <9, = 1 + 0.75 • \VbfWp.

30 ¥р,дж

20

10

0

0 50 100 150

№ь,дж

Рис. 7. Энергосодержание быстрых ионов и мишенной плазмы.

Анализ данных, приведенных на Рис.7 для выстрелов с различи мощностью и длительностью нагрева, дает значение запаса устойчш стн Qs = 2.8i 0.7. Измерения, результаты которых приведены на данн рисунке, проводились в диапазоне захватываемых мощностей от 200 к' до 1.3 МВт, длительности инжекции 0.2-1.2 мс и максимальном энерго< держании в быстрой компоненте до 150 дж. Соотношение между энер] содержаниями на момент максимума Wp и данными на границе устой1 вости заметно отличались: а именно, в первом случае энергосодержани плазме было несколько больше при близких значениях Wb, чем во втор< Это указывает на появление некоторого дополнительного механизма с: билизации, связанного, по-видимому, с уширением профиля плотност! усилением взаимодействия плазмы с лимитерами.

Максимальная температура плазмы, полученная при инжекции ГДЛ, стабилизированную расширителями, несколько увеличивалась 15 до 20-25 эВ) при уменыпешши мощности инжекции и увеличении дд тельности с 0.25 до 1.2 мс и увеличении начальной плотности плаз& Температура плазмы увеличивалась также (при прочих неизменн условиях) при увеличении магнитного поля в ловушке. Все это так

-1- 1 1 1 10 •

/ О

/ •

/ & • ** /

- L •

/зЬо / \_ максимум / Wp

/ °/ граница устойчивости

L_!„ расширитель отключен _1_1_1____

;вешю указывает на ограничение температуры и энергосодержания азмы в процессе нагрева, связанное с переходом в неустойчивое со-эянне. Были проведены численные расчеты параметров плазмы при греве, в которых считалось, что когда плазма достигает границы ?Д-устойчнвости, рост температуры прекращается в результате силь-го возрастания поперечных потерь. Результаты этих расчетов удовле-орительно согласуются с экспериментальными данными при значении laca устойчивости Q,—3.

Заключительная четвертая глава посвящена исследованию МГД-гойчнвости при стабилизации торцевой ячейкой - каспом, в котором ис-:<ающая через пробку плазма в адиабатической области удерживается 'азодннамнческом режиме. Радиус кривизны силовых линий в области «большего градиента давления должен быть существенно больше ион-го ларморовского радиуса, а требуемый запас устойчивости обеспечился за счет более высокой по сравнению с расширителем плотностью сваченпой плазмы. На Рис.8 схематически изображена выбранная маг-тная система каспа, состоящая из катушек, расположенных внутри и 2 одного из торцевых баков установки, центральная

часть 0

Рис. 8. Схема МГД-стабилизатор а каспа: 1—торцевой бак;. 2— гласующие катушки; 3—пробочные катушки; 4—катушки каспа; 5— иемник плазмы; 6—титановый испаритель.

Для оценки запаса устойчивости с каспом принималась следующ; модель. Считалось, что время жизни частиц определяется скоростью г зодинамического истечения плазмы из обьема каспа через кольцеву щель и дополнительную пробку (см. Рис.8). Плотность плазмы в к спе считалась постоянной вдоль силовых линий, а профиль давлен! в направлении поперек силовых линий, на которых радиус кривиз! больше ларморовского радиуса ионов (адиабатическая область), зад вался в соответствии с профилем давления в центральной части ловушк Для оценки величины давления в каспе на силовых линиях, лежащих области адиабатичности, принималось, что обе половины каспа запо, нены плазмой и давление одинаково на симметричных силовых линия а температура плазмы постоянна и равна температуре в центральнс части ловушки на данной силовой линии. Тогда плотность плазмы I ее давление) определяется балансом потоков частиц, втекающих в ка< из ловушки и вытекающих через кольцевую щель и внешнюю пробк Р — Ро /(-щ + тр-), где Нт — магнитное поле в кольцевой щел Н^ — поле во внешней пробке. Соответственно, запас устойчиво« для мелкомасштабных желобковых мод, локализованных в адибатич ской области, оценивался согласно следующему выражению (без уче? непараксиальных членов):

__Яг $ кё1/гН2

~ Ят(2 + Яг/Я^) / 2 \

Интеграл от кривизны в числителе этого выражения берется по силовс линии в каспе, а в знаменателе — по силовой линии в центральной част ловушки.

Магнитная система каспа выбиралась с учетом следующих огранич ний:

1. Для того, чтобы избежать уширения профиля из-за развития дре] фовых неустойчивостей, принималось, что размер плазмы в кольц вой щели каспа должен быть больше четырех ионных ларморовск! радиусов, вычисленных по электронной температуре. Это услов! приводит к ограничению радиуса щели каспа гс:гс < гр/4/>,-.

2. В соответствии с данными, полученными в экспериментах с расш! рителем, радиус кривизны на силовых линиях, соответствующе максимуму градиента плотности ограничен величиной 0.3/р,-.

3. На этих силовых линиях величина /? < 0.3.

Граница устойчивости определялась по измерениям энергетического :мени жизни и времени жизни вещества в центральной ячейке при раз-шых соотношениях между энергосодержанием плазмы в центральной :нке и каспе. Энергетическое время жизни определялось путем деления 1еренного энергосодержания плазмы на мощность нагрева электронов стадии, когда энергосодержание плазмы достигало максимума и вышло на стационарный уровень. Требуемая для вычислений мощность -рева электронов определялась из измерений энергобаланса быстрых юв. Время жизни частиц находилось из скорости спада плотности в ¡ушке в соответствующий момент времени.

.отн.ед.

Рис. 9. Зависимость времени жизни плазмы в ловушке от запаса

устойчивости.

»

Полученные данные представлены на Рис.9 в виде зависимости вре-I жизни энергии и частиц в ловушке от расчетного запаса устойчи-:ти.

Состояния с различными давлениями плазмы в каспе (и, соотв< ственно, различными расчетными запасами устойчивости) реализов вались следующими способами. Состояния с Qs <1 получались при в ключенных катушках каспа и пробочном отношении в пробке между ц< тральной ячейкой и каспом Rm — 80. Q¡ ~ 1 — 2 получены при включ« ной магнитной системе каспа и пробочном отношении Rm — 50. Данн с Q, = 2.5 сняты при Ят = 27, а состояния с Q, > 2.5 получал! при включении дополнительной плазменной пушки, заполнявшей npi севую область каспа. Эти значения запаса устойчивости соответствуй как уже говорилось, моменту времени, когда энергосодержание плазмы менялось. При этом величина запаса устойчивости вычислялась с учет быстрых ионов, накопленных в центральной ячейке в результате инж< щш. В процессе нагрева запас устойчивости уменьшался, так что д указанных выше значений Q, > 1, начальная величина запаса устой1 вости доходила до 100 и более.

Данные о энергобалансе плазмы, приведенные в последнем раздс Главы IV, позволяют сделать вывод о том, что при стабилизации > лобковых возмущений наблюдаемые потери энергии из ловушки близ к ожидаемым столкновительным потерям через пробки.

В экспериментом с каспом в устойчивых режимах удержания бы достигнуты максимальные параметры плазмы и быстрых частиц. 1 средняя плотность быстрых ионов превысила 1012см~3 в обьеме ~150л1 ров (или 3 • 1012см-3 в окрестности точек остановки). При этом в цент ловушки при поле 1.8 кЭ ß плазмы составляло около 5%, быстрых част — 8-9%.

В заключении кратко суммированы основные результаты работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следу: щих работах:

1. В.Я.Давыденко, А.А.Иванов, Ю.Л.Козъминых, Э.П.Коллеров, И. Котельников, В.В.Мишагин, А.А.Подыминогин, А.И.Рогозин, В, Роенко, Г.В.Росляков, Д.Д.Рютов, К.К.Шрайнер. Эксперим« тальная модель газодинамической ловушки, Препринт ИЯФ N f 104 (1986).

2. Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Kltsov V. V., Koz'minykh Yu. . Kotelnikov I.A., Krasnikov Yu.L, Podyminogin A.A., Rogozin A. Roslyakov G.V., Ryutov D.D. The gas-dynamic trap experiment. "

Physics of Mirrors, Reversed Field Pinches and Compact Tori (Pr<

of the International School of Plasma Physics, Piero Caldirola), v.2, p.635, Editrice Compositori, Bologna (1988).

3. Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Klesov V.V., Koz'minykh Ум. L., Kotelnikov I.A., Krasnikov Yu.I., Podyminogin A.A., Rogozin A.I., Roslyakov G. V., Tsidulko Yu.A. Storage and decay of warm plasma in the GDT. Proc. XIX Int. Conf on Phenomena in Ionized Gases, Belgrade, 1989, p.832.

4. Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Klesov V.V., Koz'minykh Yu.I., Krasnikov Yu.I., Rogozin A.I., Roslyakov G.V., Tsidulko Yu.A. Formation of population of sloshing ions in a gas-dynamic trap. Proc. XIX Int. Conf on Phenomena in Ionized Gases, Belgrade, 1989, p.940.

5. Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Klesov V.V., Koz'minykh Yu.L., Krasnikov Yu.I., Krzhizhanovskij E.R., Rogozin A.I., Roslyakov G.V., Tsidulko Yu.A. Experiments on neutral beam injection in a gas-dynamic trap. In: Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, v.2, p.483. Vienna, IAEA (1989).

6. Ivanov A.A., Ryutov D.D. Neutron sources for fusion reactor materials and component testing. Proc. of the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) Workshop, San Siego, 1989, v.2, p.369.

7. Иванов А.А., Мишагин В.В., Росляков Г.В., Цидулко Ю.А. Проект МГД стабилизатора-каспа для газодинамической ловушки. Труды Всесоюзного Совещания по Открытым ловушкам (Москва, 1989), стр.15-17, Курчатовский институт, Москва (1990).

8. П.А.Багрянски й, А.А.Иванов, А. К. Карпу шов, В.В.Клесов, Ю.Л. Козьминых, Ю.И.Красников. Энергобаланс плазмы в газодинамической ловушке при инжекции атомарных пучков. Труды Всесоюзного Совещания по Открытым ловушкам (Москва,1989), стр.18-23, Курчатовский институт, Москва (1990).

9. Ivanov A.A., - Ryutov D.D. Mirror-based neutron sources for fusion technology studies. Nucl. Science and Engineering, v.106, p.235 (1990).

0. А.И.Зиновьев, Е.Р.Кржижановский, А.А.Иванов, В.В.Клесов. Оп-ре-деление концентрации и температуры ионов по спектральным измерениям излучения водорода на установке ГДЛ. Препринт ИЯФ СОАН СССР N90-20, Новосибирск (1990).

11. Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Karpvshov A.N., Klesov V.V., Kotelnikov I.A., Krasnikov Yu.I., Rogozin A.I., Roslyakov G. 1 Tsidulko Yu.A., Brevn R.A., Molvik A.W., Casper T.A. Experiment MHD stability limit in the gas-dynamic trap. In: Plasma Physics ai Controlled Nuclear Fusion Research, v.2, p.655, Vienna, IAEA (199!

12. Ivanov A.A. The GDT Experimental Physics Group. Experimental ai theoretical studies of a neutron source based on gas-dynamic tra In: Physics of Alternative Magnetic Confinement Schemes (Proc. the International School of Plasma Physics, Piero Caldirola), p.4< Editrice Compositori, Bologna (1991).

13. A.A. Ivanov, I.A.Koielnikov, Eh.P.Kruglyakov, A.M.Kudryavtsev, V Volosov, V.V.Mirnov, D.D.Ryutov, Yv.A.Tsidulko, and Yit.N.Yvdi A.M.Astapkovich, V.G.Krasnoperov. A plasma-type neutron source f fusion materials irradiation testing. In: Proc. of 17th Symposium < Fusion Technology, Roma, v2, p.1394 (1992).

14. Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Kuzmin S.V., Saliko Т. V. Experimental observation of non-MHD effects in the curvatu driven flute instability. Plasma Physics and Controlled Fusion, v.3 p.1185 (1992).

15. Аникеев А.В., Багря некий П.А., Бочаров В.Н., Дейчули П.П., Ив нов А.А., Карпушов А.А., Максимов В.В., Рогозин А.И., Саликоi Т. В. Измерения параметров плазмы в газодинамической ловуш: при инжекции мощных атомарных пучков. Физика плазмы, 199 том 20, N2, с. 192.

16. Иванов А.А., Рогозин А.И. Измерение профиля плотности плазмы газодинамической ловушке методом активной корпускулярной ди гностики. Физика плазмы, 1994, том 20, N2, с.179.

17. Anikeev А. V., Bagryansky P.A., Bocharov V.N., Deichuli P.P., Ivan< A.A., Karpushov A.N., Maximov V.V., Pod'minogin A.A., Rogoz A.I., Salikova T.V., Abdrashitov G.F. Recent results from the GD experiment. Proc. International Conference on Open Plasma Coni nement Systems for Fusion. (Novosibirsk, June 14-18, 1993), Wor Scientific, p.283.

18. Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Khudik V.N. ar Salikova Т. V. Perturbed plasma equilibria in the gas-dynamic tra]

Proc. International Conference on Open Plasma Confinement Systems for Fusion. (Novosibirsk, June 14-18, 1993) World Scientific, p.295.

I. Anikeev A. V., Bagryansky P.A., Bocharov V.N., Deichuli P.P., Ivanov A.A., Karpushov A.N., Maximov V.V., Pod'minogin A.A., Rogozin A.I., Salikova Т. V. Energy and particle balance of the GDT plasma. Proc. of International Conference on Open Plasma Confinement Systems for Fusion. (Novosibirsk, June 14-18, 1993) World Scientific, p.319.

i. Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Bocharov V.N., Deichuli P.P., Ivanov A.A., Karpushov A.N., Maximov V.V., Pod'minogin A.A., Rogozin A.I., Salikova T.V., Siupishin N.V., Shichovisev I.V. Characterization of sloshing ions in the GDT experiment. Proc. of International Conference on Open Plasma Confinement Systems for Fusion. ( Novosibirsk, June 14-18, 1993) World Scientific, p.311.

. Anikeev A. V., Bagryansky P.A., Bocharov V.N., Deichuli P.P., Ivanov A.A., Karpushov A.N., Maximov V.V., Pod'minogin A.A., Rogozin A.I., Salikova T.V., Tsidulko Yu.A. MHD-stability of a CUSP-anchored gas-dynamic trap. Proc. International Conference on Open Plasma Confinement Systems for Fusion.( Novosibirsk, June 14-18,1993) World Scientific, p.303.

. Ivanov A.A. Experiments on the Gas-Dynamic Trap that Illustrate MHD Stability Theory. Bull. Am. Phys. Soc. 38, 2072 (1993).

. Ivanov A.A. and Rogozin A.I. Measurements of plasma density profile in the gas-dynamic trap using a neutral beam probe. Proc. of XXI Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Ruhr-Universitet Bochum, Germany, v.iii, 427 (1993)

. Багрянский П.А., Бочаров B.H., Дейчули П.П., Иванов A.A., Кар-пушов A.A., Максимов В.В., Рогозин А.И., Саликова Т.В. Диагностический комплекс установки ГДЛ для изучения нагрева плазмы при инжекции мощных атомарных пучков, Препринт ИЯФ N 93-70

(1993).

A.A.Ivanov, А. V.Anikeev, P.A.Bagryansky, V.N.Bocharov, P.P.Deichuli, A.N.Karpushov, V.V.Maximov, A.A.Pod'minogin, A.I.Rogozin, T.V.Sa-likova, Yu.A.Tsidulko. Experimental study of curvature-driven flute instability in the gas-dynamic trap, Physics of Plasmas, 1(5), 1529

(1994).