Газодинамическая ловушка Последние изменения: // Maй 11, 2000 Развернутая информация (English version)

Содержание:

• Описание ГДЛ.
• Программа экспериментов.
• Модернизация Установки.
• General Experimental Results.(English)
• Фотоальбом ГДЛ
• Публикации по теме ГДЛ

Описание ГДЛ

   Концепция газодинамической ловушки (ГДЛ), впервые увидевшая свет в 1979 году [1], родилась благодаря попытке значительно упростить физику удержания плазмы в классическом пробкотроне Будкера-Поста [2]. В отличии от пробкотрона, 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 столкновительности выражается в том, что длина свободного пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь не превышает длину системы:

   Важнейшим достоинством газодинамической ловушки является простая и надежная физика продольного удержания плазмы, продольные потери частиц в ГДЛ практически не зависят от скорости их рассеяния внутри ловушки [3]. Чтобы получить нужное для реакторных приложений время удержания, достаточно увеличить пробочное отношение, насколько это позволительно, и увеличить длину ловушки до нужных размеров. Другим замечательным достоинством газодинамической ловушки является возможность достижения МГД устойчивости плазмы в рамках осесимметричной конфигурации магнитного поля [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 пробкотроне. Для усиления стабилизирующего действия в некоторых случаях целесообразно заменить расширитель на МГД-якорь другого типа, например на антипробкотрон (касп). Важно отметить, что газодинамическая ловушка обладает еще одним очень важным достоинством, характерным для пробкотронов. Согласно результатам теоретического анализа МГД устойчивость в ГДЛ сохраняется при высоких значениях плазменного, бета  (b=8pp_^/B² отношение поперечной составляющей давления плазмы к давлению магнитного поля), вплоть до b=0.3-0.7 [4].

    Главный недостаток ГДЛ с точки зрения реакторных приложений есть, как бывает часто, продолжение ее достоинств. При использовании технически достижимых на сегодняшний день способов создания магнитного поля в пробках минимальная длина термоядерного реактора на основе газодинамической ловушки превышает 1 км [3]. 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 вывести газодинамическую ловушку в безусловные лидеры 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 низким КПД [5]. Источник нейтронов (ИН) D-T реакции с энергиями близкими к 14 МэВ и плотностью мощности потока (1-4 МВ/м² сегодня со все большей настойчивостью востребуется сообществом термоядерных материаловедов, перед которыми стоит одна из сложнейших проблем термоядерных исследований - задача поиска материалов, обладающих адекватной нейтронной стойкостью, для создания первой стенки будущих D-T реакторов. Существуют также предложения использовать нейтронные источники такого типа для дожигания радиоактивных отходов и даже для управления подкритическими реакторами деления.

    Чтобы обозначить физические основы проекта источника нейтронов на базе газодинамической ловушки, а также его отличительные особенности, рассмотрим бегло настоящий проект, следуя [5]. В этом поможет нам рисунок 1. Главной частью установки является осесимметричный пробкотрон длиной ╩ 10 метров с пробочным отношением R╩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 2-5x10¹⁴см^-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, образуется в результате мощной атомарной инжекции. Бесстолкновительный, адиабатический режим удержания характерен для данной компоненты. Популяция быстрых ионов, в свою очередь, складывается из двух составляющих: дейтонов и тритонов, которые, сталкиваясь, призваны производить термоядерные реакции. Энергия атомарной инжекции при этом предполагается ╩100-130 кэВ при мощности ╩15-20 МВт. Плотность и температура мишенной плазмы, а также энергия атомарной инжекции находятся в таком соотношении, что характерное время торможения быстрых ионов оказывается много меньшим, чем характерное время рассеяния на угол порядка 1. Атомарная инжекция предполагается наклонной с питч-углом около 30^о. При этом быстрые ионы, совершая продольные колебания между магнитными пробками, сохраняют малый угловой разброс, характерный для инжектированных атомарных пучков. В этих условиях вблизи областей отражения частиц - магнитных пробок, продольный профиль плотности быстрых ионов, а следовательно и профиль плотности потока нейтронов за счет термоядерных реакций, оказываются пикированными, а сами величины плотности ионов и потока нейтронов во много раз превышают соответствующие параметры в центральной плоскости ловушки. Таким образом, наклонная инжекция нейтральных атомов позволяет разнести в пространстве область захвата пучков и зону испытаний нейтронного генератора (см. рисунок 1). Очень важно также, что наклонная инжекция позволяет минимизировать отрицательный вклад быстрых ионов в МГД устойчивость двухкомпонентной плазмы. С другой стороны, как это следует из уравнений сохранения энергии и магнитного момента быстрых ионов, наклонная инжекция эффективно уменьшает анизотропию их функции распределения в пространстве скоростей вблизи областей отражения, что, в свою очередь, благоприятно влияет на микроустойчивость популяции быстрых ионов [2].

    Роль мишенной плазмы заключается в том, что она, во-первых, обеспечивает захват пучков, во-вторых, осуществляет МГД стабилизацию двухкомпонентной плазмы, и, в-третьих, наличие теплых ионов с изотропным в пространстве скоростей распределением позволяет стабилизировать наиболее опасные микронеустойчивости, вызванные анизотропией распределения быстрых ионов [2].

    Осесимметричная конфигурация магнитного поля, наклонная инжекция атомарных пучков и использование столкновительной мишенной плазмы, удерживаемой в газодинамическом режиме, для обеспечения захвата пучков, МГД-стабилизации и стабилизации микронеустойчивостей являются особенностями, отличающими проект источника нейтронов на основе ГДЛ от других подобных проектов на базе открытых систем для магнитного удержания плазмы. Подробный обзор теоретических работ по тематике удержания плазмы в ГДЛ, а также обоснованию одного из вариантов проекта источника нейтронов на основе газодинамической ловушки опубликован в [6].

    Для экспериментального обоснования проекта ИН была создана и успешно работает в течение ряда лет в Институте ядерной физики им Г.И.Будкера СО РАН установка ГДЛ, на которой осуществляется моделирование физических процессов в генераторе нейтронов при меньшем уровне параметров плазмы, а также проводится ряд интересных исследований по физике удержания плазмы, как в газодинамической ловушке, так и в открытых магнитных системах вообще. Наиболее важные пункты экспериментальной программы на установке ГДЛ, связанные с проектом нейтронного генератора перечислены ниже с некоторыми дополнительными комментариями.

Программа экспериментов.

• Исследование МГД устойчивости двухкомпонентной плазмы с высоким значением b в осесимметричной магнитной ловушке, стабилизированной вынесенным МГД-якорем. Актуальность данной задачи подчеркивается тем обстоятельством, что до настоящего времени не существует строгого теоретического анализа МГД-устойчивости такой плазмы с учетом относительно больших ларморовских радиусов и высоких скоростей азимутального дрейфа быстрых частиц.

• Изучение удержания частиц и энергии в мишенной плазме при нагреве мощной атомарной инжекцией в присутствии популяции быстрых ионов. Данная задача разбивается на два крупных подпункта. С одной стороны ее решение подразумевает изучение продольного удержания, а с другой стороны - исследование поперечного переноса вещества и энергии. Хотя, как сказано выше, газодинамическую ловушку отличает простая и надежная физика продольного удержания частиц, с продольным удержанием энергии дело обстоит значительно сложнее, поскольку существует прямой контакт истекающей за пробки плазмы с поверхностью торцевых плазмоприемников. В этих условиях, высокоэнергичные частицы плазменного потока способны вызвать эмиссию "холодных" электронов с поверхности приемника плазмы, которые, в свою очередь, замещая "горячие" электроны, покинувшие ловушку, способны вызвать мощное аномальное охлаждение. Для преодоления влияния этого эффекта предлагались специальные конструкции торцевых приемников плазмы, которые бы позволяли подавлять потоки вторичных электронов. С другой стороны, теоретически было показано, что естественно расширяющееся за пробками ловушки магнитное поле способно при достаточно большой степени расширения полностью подавить аномальный электронный поток тепла [7]. Ввиду чрезвычайной важности вопроса о продольном удержании энергии, как для проекта генератора нейтронов, так и для физики магнитных ловушек вообще, данное предсказание требовало прямой экспериментальной проверки. Огромный интерес представляет также вопрос о поперечном транспорте частиц и энергии в мишенной плазме ГДЛ. С одной стороны этот интерес продиктован проектом источника нейтронов, а с другой стороны вопрос имеет принципиальное фундаментальное значение для физики магнитных ловушек. Важно отметить, что полностью аксиально симметричный пробкотрон установки ГДЛ является очень удобным объектом для изучения этой проблемы в "чистых", не замутненных физическими явлениями, связанными с несимметрией магнитного поля, условиях.

• Исследование удержания быстрых ионов. Этот пункт программы исследований 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 так далее. Следует подчеркнуть, что проект ИН допускает только кулоновский механизм рассеяния быстрых ионов. Наличие небольших 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 распределения потока нейтронов и тем самым снижает эффективность нейтронного генератора.

• Изучение баланса нейтрального газа в процессе нагрева плазмы атомарной инжекцией, исследование влияния свойств первой стенки на баланс нейтрального газа. Интерес к этой задаче обусловлен необходимостью минимизировать потери быстрых ионов за счет перезарядки на нейтральном газе в процессе работы нейтронного генератора. Для этого необходимо детально исследовать поведение всех компонент нейтрального газа, определить степень их влияния на перезарядные потери быстрых ионов.

• Изучение продольного распределения интенсивности термоядерных реакций. Имеются в виду эксперименты с инжекцией нейтральных пучков дейтерия вместо водорода и изучение распределения интенсивности термоядерных D-D реакций вдоль оси установки при помощи специальных счетчиков, способных регистрировать продукты реакции - нейтроны с энергией 2.45 МэВ и протоны с энергией около 3 МэВ. Цель данных экспериментов заключается в прямом измерении пикировки продольного профиля интенсивности и абсолютном измерении плотности потоков продуктов реакции. Реализация этого пункта программы исследований позволяет произвести абсолютную проверку правильности выводов, полученных при исследовании быстрых ионов.

• Изучение возможности поддержания стационарной плотности мишенной плазмы. Данный раздел программы исследований мотивирован требованием непрерывного режима работы генератора нейтронов. Он включает в себя экспериментальный анализ различных возможностей стационарной инжекции плазмы или нейтрального вещества.

Модернизация установки ГДЛ.

    Модернизация включала в себя следующие мероприятия:

• улучшение вакуумных условий, которое заключалось, в основном, в улучшении пучковых трактов атомарных инжекторов и применении электродуговых испарителей титана для быстрого нанесения титанового покрытия на первую стенку установки ГДЛ непосредственно перед рабочим выстрелом, что позволило, кардинально уменьшить концентрацию нейтрального газа в процессе атомарной инжекции и, практически, исключить потери быстрых частиц, связанные с перезарядкой на нейтральном газе;
• модернизацию системы атомарной инжекции, что позволило удвоить ее мощность;
• создание ряда новых бесконтактных диагностик, ориентированных на исследование двухкомпонентной плазмы с относительно высокими параметрами;
• создание новой системы автоматизации управления, сбора и обработки данных.

Литература

1. Мирнов В.В., Рютов Д.Д. Письма в ЖТФ, 1979, т.5,с.678.
2. Post R.F. Nuclear Fusion, v.27, p.1579 (1987).
3. Мирнов В.В., Рютов Д.Д. В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез, М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1980, т.1, с.57.
4. Мирнов В.В., Ткаченко О.А. МГД устойчивость плазмы в ГДЛ
5. Ivanov A.A., Ryutov D.D. Nucl. Sci. and Eng., v.106, p.235 (1990).
6. Мирнов В.В., Рютов Д.Д. "Газодинамическая ловушка" В сб. Итоги науки и техники. Серия Физика плазмы, 1988, т.8, с.77.
7. Конкашбаев И.К., Ландман И.С., Улинич Ф.Р., "О возможности уменьшения электронного потока тепла из открытых ловушек", ЖЭТФ т.74, вып.3 (1978), стр. 956-964.
Развернутая информация содержится в анлийской версии
Last update: // August 19, 1999 // P.Bagryansky



---

© 2000 ИЯФ   webmaster