Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Таким образом, наклонная инжекция нейтральных атомовпозволяет разнести в пространстве область захвата пучков и зонуиспытаний нейтронного генератора (см. рис. 21). Очень важно также, чтонаклонная инжекция позволяет минимизировать отрицательный вкладбыстрых ионов в МГД устойчивость двухкомпонентной плазмы. С другойстороны, как это следует из уравнений сохранения энергии и магнитногомомента быстрых ионов, наклонная инжекция эффективно уменьшаетанизотропию их функции распределения в пространстве скоростей вблизиобластей отражения, что, в свою очередь, благоприятно влияет намикроустойчивость популяции быстрых ионов.Роль мишенной плазмы заключается в том, что она, во-первых,обеспечивает захват пучков; во-вторых, осуществляет МГД стабилизациюдвухкомпонентной плазмы; и в-третьих, наличие теплых ионов сизотропным в пространстве скоростей распределением позволяетстабилизировать наиболее опасные микронеустойчивости, вызванныеанизотропией распределения быстрых ионов.54Рис.
22. Схематическое изображение установки ГДЛОсесимметричная конфигурация магнитного поля, наклоннаяинжекция атомарных пучков и использование столкновительноймишенной плазмы, удерживаемой в газодинамическом режиме, дляобеспечения захвата пучков, МГД-стабилизации и стабилизациимикронеустойчивостей являются особенностями, отличающими проектисточника нейтронов на основе ГДЛ от других подобных проектов на базеоткрытых систем для магнитного удержания плазмы.
Подробный обзорпервых теоретических работ по тематике удержания плазмы в ГДЛопубликован в [7].Для экспериментального обоснования проекта ИН в Институте ядернойфизики им. Г. И. Будкера СО РАН была создана и успешно работает втечение ряда лет установка ГДЛ, на которой осуществляетсямоделирование физических процессов в генераторе нейтронов применьшем уровне параметров плазмы, а также проводится ряд интересныхисследований по физике удержания плазмы, как в газодинамическойловушке, так и в открытых магнитных системах вообще. На рис. 22показано схематическое изображение ГДЛ.
Предварительная плазмасоздается при помощи газоразрядного источника, расположенного в одномиз торцевых баков. В противоположном торцевом баке находятсямагнитные катушки, создающие поле с конфигурацией антипробкотрона,силовые линии в котором имеют благоприятную для устойчивостикривизну, что позволяет добиться МГД стабилизации всей системы.В предварительную плазму инжектируются пучки нейтральных атомовводорода или дейтерия с энергией около 25 кэВ, мощностью до 4,5 МВт идлительностью 5 мс. Наиболее важные на сегодняшний день результатыэкспериментов по удержанию плазмы в ГДЛ перечислены ниже:• температура теплой компоненты плазмы (≈ 200 эВ) определяетсябалансом нагрева и продольных потерь тепла, соответствующих расчетам55для режима газодинамического течения через пробки, роль поперечныхпотерь несущественна;• удержание горячих ионов определяется классической кинетикойкулоновских столкновений, плотность ионов достигает 5·1013 при среднейэнергии 10–13 кэВ;• устойчивое удержание в стационарном режиме наблюдается привеличине относительного давления β = 0,6 в осесимметричномпробкотроне ГДЛ.Эти результаты, по сути, являются физическим обоснованиемпроектируемого источника нейтронов на основе ГДЛ.
В настоящее времяпроводятся эксперименты по дальнейшему улучшению удержания плазмыв ГДЛ с помощью амбиполярных пробок и оптимизации радиальногопрофиля электрического потенциала в плазме. На рис. 23 показанырезультаты измерения зависимости потока термоядерных нейтронов ипротонов d,d–реакции от координаты вдоль установки. Максимум потокасоответствует области остановки горячих ионов.Рис. 23. Зависимость потока термоядерных нейтронов и протонов d,dреакции от координаты вдоль установки в режиме с инжекцией дейтериевых пучков в ГДЛ.
Начало координат соответствует центральной плоскости, а максимум потока – области остановки горячих ионов569.3. Многопробочные ловушкиИдея многопробочного удержания плазмы предложена в 1971 г.Г. И. Будкером, В. В. Мирновым и Д. Д. Рютовым. Многопробочная ловушка – это набор соединенных пробкотронов, формирующих гофрированное магнитное поле.
В такой системе заряженные частицы разбиваютсяна две группы: захваченные в одиночных пробкотронах и пролетные, попавшие в конус потерь одиночного пробкотрона. Если длина пробега частиц меньше размера ловушки, то при движении пролетных частиц черезпробкотроны они начинают испытывать силу трения со стороны захваченных, что резко замедляет скорость разлета плазмы: вместо прямолинейного разлета движение частиц становится диффузионным.LlРис. 24.
Гофрированное магнитное поле многопробочной ловушкиВремя удержания плазмы в такой системе значительно возрастает посравнению с разлетом плазмы в негофрированном соленоиде:τ ≈ R2L2L= R2 τ 0 ,λiVTiλiгде τ0 = L / VTi – время разлета плазмы в соленоиде длиной L, R – пробочное отношение.В 1972–1973 гг. в Институте ядерной физики СО РАН была создана установка «Щегол», эксперименты на которой подтвердили справедливостьидеи многопробочного удержания. В это же время в ИЯФ начались первыев мире эксперименты по нагреву плазмы релятивистскими электроннымипучками (установки ИНАР, затем ГОЛ-М).
Дальнейшее развитие этихдвух идей позволило создать в ИЯФе многопробочную ловушку ГОЛ-3.Установка ГОЛ-3 состоит из трех частей: ускорителя У-2, основногосоленоида и выходного узла. У-2 вытягивает из взрывоэмиссионного катода и ускоряет в ленточном диоде электроны до энергии порядка 1 МэВ.Созданный мощный (до 50 кА) релятивисткий пучок сжимается и инжектируется в основной соленоид, где в дейтериевой плазме с плотностьюn = 1014 ÷ 1016 частиц в кубическом сантиметре вследствие развития двухпотоковой неустойчивости возникает большой уровень микротурбулентности и пучок теряет до 40 % своей энергии, передавая57Генератор электронного пучка У-2Система созданияпредварительной плазмыПриемник пучкаЛенточный диодГофрированное магнитное полеВыходной узелРис. 25. 3D- макет многопробочной ловушки ГОЛ-3её электронам плазмы.
Особенностью пучково-плазменного взаимодействия является высокий уровень турбулентности, что приводит к сильному(более 103 раз) подавлению электронной теплопроводности. Это не даетэлектронам плазмы остыть на торцах установки. Темп нагрева очень высокий – за 3–4 мкс плазменные электроны нагреваются вплоть до температуры T порядка 5 кэВ, что является мировым рекордом для открытых ловушек. После окончания инжекции пучка (12 мкс) теплопроводность становится классической и электроны быстро остывают.Релятивистским пучком ионы не нагреваются, пока экспериментальноне был открыт механизм быстрого нагрева ионов (~2003 год).
Основной12-метровый соленоид состоит из 55 пробкотронов длиной 22 см и пробочным отношением R = Bmax/Bmin = 4,8 Тл / 3,2 Тл = 1,5.Гофрированное магнитное поле модулирует нагрев электронов отдвухпотоковой неустойчивости, а подавленная теплопроводность не позволяет электронам выровнять градиенты температуры. В результате появляется модуляция давления плазмы (P = n*T) вдоль установки, что приводит к возникновению встречных плазменных потоков в каждом пробкотроне. В результате происходит очень быстрый (~ 3–4 мкс) нагрев ионовдо температуры ~2 кэВ. Данный механизм должен сопровождаться резкими скачками плотности плазмы, которые и были обнаружены методомТомсоновского рассеяния луча лазера.
Также по колебаниям в отдельныхпробкотронах потока термоядерных нейтронов был обнаружен новыйкласс плазменных колебаний – неустойчивость баунс-осцилляций (коле58баниячастицмеждуточкамиостановкивпробкотроне).пучокДвижение плазмы2Te, кэВ101Z, м2Рис. 26. Неоднородный нагрев электронов и возникающие потоки плазмыВ плазму инжектируется пучок с током, превышающим предел устойчивости Крускала-Шафранова (для камеры ГОЛ-3 это ~12 кА).
Чтобытранспортировка пучка была устойчивой, перед его инжекцией в камереустановки с помощью специальной системы создается плазма с небольшим встречным (к пучку) током. После начала инжекции пучка в плазмеиндукционно наводится встречный ток, почти равный току пучка, но течетон по поверхности плазменного шнура, так как в центре плазмы летитэлектронный пучок и вследствие высокого уровня турбулентности возникает высокое сопротивление.
Прямолинейный ток формирует вокруг себяазимутальное магнитное поле, которое в сумме с продольным полем соленоида создает винтовое магнитное поле. Разные (по величине и направлению) токи на разных радиусах формируют сложную структуру магнитногополя с широм, подавляющего развитие желобковой неустойчивости, которая должна выбрасывать плазму на стенку. В результате время удержанияплазмы составляет около 1 мс, что является значительным достижением,поскольку почти на порядок превышает оценку времени развития в даннойплазме желобковой неустойчивости.После пролёта основного соленоида пучок попадает в выходной узел,который должен принять мощный пучок электронов и поток плазмы и приэтом не разрушиться.
Для этого магнитное поле в выходном узле делаютрасходящимся, что в 50 раз уменьшает плотность энергии в пучке, становящуюся ниже порога значительного разрушения материала приёмника.59Наличие на выходе установки мощного плазменного потока позволяетпроводить эксперименты по облучению материалов для будущих термоядерных реакторов, которые подвергаются огромным тепловым нагрузкам,не достижимым сейчас на других плазменных установках.4E+009-2 c-1-1Поток ofнейтронов,см-2intensityneutron emission,cmсек2E+0090E+0002E+0106064687276802E+0101E+0108E+0094E+009shot #PL6397Время, микросекунд0E+000020406080100120140Рис. 27. Осцилляции нейтронного потока в отдельных ячейкахХотя сейчас наиболее близки к реакторным параметрам токамаки (уних больше температура и время удержания), благодаря ГОЛ-3 многопробочные ловушки тоже рассматриваются как вариант термоядерного реактора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
