Исследование удержания плазмы в модернизированной установке ГДЛ

Продольное удержание плазмы в Газодинамической ловушке, поперечные потери, удержание быстрых ионов и микронеустойчивости. Диагностики: двухсеточный зонд, пироэлектрический болометр, 45 анализатор энергий ионов. Результаты измерений и их интерпретация.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Введение

В данной работе представлены результаты исследования удержания плазмы в установке Газодинамическая ловушка (ГДЛ) [1,2] в Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. Программа экспериментов на установке ГДЛ ориентирована с одной стороны на получение фундаментальных знаний по физике удержания плазмы с субтермоядерными параметрами в магнитных ловушках открытого типа, а с другой стороны на экспериментальное обоснование проекта мощного источника 14 МэВ нейтронов для материаловедческих исследований, управления подкритичными ядерными реакторами и других приложений [3,4].

В настоящее время завершена модернизация установки ГДЛ, направленная на увеличение температуры электронов до 200-300 эВ. Для этого была создана новая система атомарной инжекции из 8-ми инжекторов с энергией атомов 23-25 кэВ, суммарной мощностью до 5 МВт и длительностью импульса до 5 мс. Эти инжекторы обладают фокусирующей ионно-оптической системой, что позволяет существенно увеличить плотность тока в пучках. Кроме того, в рамках проводимой модернизации была увеличена емкость конденсаторных накопителей энергии в системе питания катушек магнитного поля установки, что позволило увеличить магнитное поле в центральном сечении ГДЛ с 0.3 T до 0.35 Т и менять пробочное отношение в широких пределах. Благодаря проведенным мероприятиям по модернизации установки, в ГДЛ реализован квазистационарный режим удержания двухкомпонентной плазмы с высоким относительным давлением плотной анизотропной плазмы (до 60%) и температурой электронов свыше 200 эВ.

Предлагаемая квалификационная работа посвящена изучению удержания плазмы с высокими параметрами в установке ГДЛ в этом режиме. Работа состоит из Введения, трех содержательных разделов и Заключения. В первом содержательном разделе (глава 2) представлен краткий аналитический обзор по теме работы: описана теория продольного и поперечного удержания основной («мишенной») компоненты плазмы, а также затронуты вопросы накопления и удержания быстрых ионов с сильной анизотропией функции распределения. Следующий раздел (глава 3) содержит описание установки ГДЛ, режимов ее работы, сценария экспериментов, а также диагностик, использованных в данной работе. Основной 3 раздел (глава 4) содержит результаты проведенных исследований. Он посвящен подробному изучению параметров плазмы, истекающей через пробки газодинамической ловушки в расширитель.

Целью исследований было сравнение параметров плазмы в расширителе с предсказаниями теории, основанной на модели бесстолкновительного течения плазмы через пробки. Указанный режим течения наиболее интересен, поскольку именно он должен реализоваться при параметрах плазмы, характерных для нейтронного источника. Полученные данные о величинах потоков вещества и энергии в расширитель, а также о перепаде амбиполярного потенциала, позволяют сделать важные выводы о физике продольного удержания вещества и энергии в газодинамической ловушке. Кроме того, полученные в эксперименте данные можно использовать для анализа поперечного удержания частиц и энергии в ГДЛ.

В Заключении приведены основные выводы данной квалификационной работы и список используемой литературы.

1. Краткий обзор работ по удержанию плазмы в ГДЛ

1.1 Продольное удержание плазмы в ГДЛ

Рисунок 1. Общая схема установки ГДЛ

Газодинамическая ловушка (рисунок 1) представляет собой аксиально-симметричный пробкотрон с большим пробочным отношением (R = B_m/B₀ >> 1) и длиной L, превосходящей среднюю длину пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь [1,2].

(1).

В этих условиях удерживаемая в ловушке плазма является столкновительной, а время продольного удержания пропорционально пробочному отношению R и длине ловушки L. Его можно оценить как время вытекания плазмы из объема S₀L через узкое отверстие сечения S = S₀/R, где S₀ - сечение плазмы в центре ловушки. (V_Ti - тепловая скорость ионов):

газодинамический ловушка пироэлектрический болометр

(2).

Плазма в ГДЛ двухкомпонентная. Мишенная плазма представляет собой относительно холодную и плотную столкновительную плазму с температурой несколько электрон-вольт и с изотропной в пространстве скоростей максвелловской функцией распределения частиц. Она создается в начале эксперимента в центральной части ловушки при помощи дугового источника плазмы, расположенного в торцевом баке, и удерживается в газодинамическом режиме. После того, как источник плазмы перестает работать, включаются нагревные инжекторы. Пучки водорода или дейтерия с энергией 23-25 кэВ инжектируются под углом 45 относительно оси симметрии ГДЛ в центр установки и захватываются мишенной плазмой, образуя вторую компоненту - популяцию быстрых ионов. Эти ионы удерживаются адиабатически и постепенно тормозятся на мишенной плазме, нагревая ее до температуры ~ 200 эВ. Длительность работы нагревных инжекторов составляет 5 мс. За это время в ловушке успевает накопиться популяция быстрых ионов со средней энергией около 10 кэВ и плотностью в точках остановки до 5·10¹³ см ^-3.

Как уже было отмечено выше, время жизни плазмы в газодинамической ловушке дается простой газодинамической оценкой. Более точные количественные оценки времени жизни плазмы в ГДЛ требуют аккуратного вычисления потоков частиц и энергии через пробки. Величины этих потоков, выраженные через параметры плазмы внутри ловушки, необходимы при расчетах энергетического и материального баланса плазмы, а также в расчетах устойчивости.

В ГДЛ реализуется бесстолкновительный режим истечения плазмы через пробки. Противоположный случай - случай частых столкновений, когда движение плазмы на участке сужающегося поля вблизи магнитной пробки можно описывать уравнениями магнитной гидродинамики.

Количественная теория продольных потерь для бесстолкновительного течения, когда длина свободного пробега ионов превышает характерные размеры магнитных пробок, изложена в работах [5,6]. Коротко остановимся на обзоре основных результатов этих работ, следуя [7].

Для простоты описания представим, что ГДЛ состоит из длинной центральной части и достаточно коротких пробок с переходным участком. Вытекающая из ловушки плазма расширяется в запробочной области и поглощается условной стенкой, которая в свою очередь считается не эмитирующей, т.е. поглощающей все частицы, попавшие на нее. В центральной части ловушки имеет место максвелловское распределение частиц с заполненным конусом потерь. При выполнении условия бесстолкновительного течения через пробку, вычисление потоков вещества и энергии сводится к интегрированию максвелловской функции распределения по области пространства скоростей, соответствующей вылетающим частицам.

Поддержание в каждой точке ловушки квазинейтральности и выравнивание потоков ионов и электронов из центральной части происходит за счет возникающего в плазме амбиполярного потенциала, который ускоряет ионы и тормозит электроны. Если считать потенциал на стенке равным нулю, то всюду в ловушке он положителен и монотонно спадает от центра к краю. При этом в центральной части, где магнитное поле однородно, потенциал постоянен и испытывает перепад порядка T_e от начала переходного участка до среза пробки. Профиль потенциала в расширителе зависит от режима удержания электронов в этой области.



Рисунок 2. Ход амбиполярного потенциала в расширителе в зависимости от степени расширения при бесстолкновительном режиме течения через пробки: сплошная линия - в отсутствии рассеяния электронов; пунктирная линия - при наличии запертых электронов

Если предположить, что столкновения при пролете через расширитель происходят так редко, что за рассматриваемые времена там нет заметного накопления запертых электронов, то в этом случае потенциал за пробкой практически постоянен, вплоть до стенки, и лишь в узком дебаевском слое у стенки испытывает скачек до нуля [6]. Качественный вид потенциала для случая, когда в расширителе нет рассеяния, и запертые электроны не накапливаются, приведен на рисунке 2 (сплошная кривая).

Если стенка эмитирующая, то поток вторичных холодных электронов со стенки может проникнуть в центральную область ловушки, что приведет к быстрому охлаждению плазмы за счет электронной теплопроводности. Однако учет слабых столкновений в почти бесстолкновительной плазме приводит к тому, что в области между выходной пробкой ловушки и стенкой появляются запертые электроны, которые своим пространственным зарядом препятствуют проникновению холодных вторичных электронов в центральную часть, подавляя тем самым теплопроводность. В этом случае ход потенциала в расширителе имеет монотонно спадающий вид, как представлено на рисунке 2 (пунктирная линия). В работе [8] теоретически изучался вопрос об уменьшении электронного потока тепла в открытых ловушках при резком расширении выходящего потока плазмы за пробкой. Анализ уравнений показал, что в случае неограниченной эмитирующей способност...