УЛУЧШЕННОЕ УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ В МУЛЬТИПОЛЬНОЙ ЛОВУШКЕ ПН-3 ПРИ ЭЦР НАГРЕВЕ ИЯС РНЦ
ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКОВ ПРОДУКТОВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ НА УСТАНОВКЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА Для моделирования источника термоядерных нейтронов на основе газодинамической ловушки на установке ГДЛ [1] проводятся эксперименты с инжекцией пучков атомов дейтерия энергией ~15 кэВ в холодную мишенную плазму с n~1014 см-3. В результате столкновений захваченных быстрых дейтонов в DvD реакции образуются нейтроны с энергией 2.45 МэВ и протоны с энергией 3 МэВ Для регистрации потоков нейтронов и протонов была разработаны детекторы на основе органических сцинтилляторов (пластмасса СПМ-5). Датчики помещались внутрь камеры ГДЛ, в вакуум, на расстояние 34 см от оси (радиус плазмы ~18 см). Использовался фотоэлектронный умножитель Hamamatsu Н2611 (динодная система fine mesh), позволяющий проводить измерения в сильных продольных магнитных полях. Сигналы с ФЭУ увеличивались двухступенчатыми усилителями (постоянная времени 14 нс, коэффициент преобразования 2400 В/А) на основе быстродействующих операционных усилителей OPA642U и AD9617YN. Первая ступень усилителя была вмонтирована в корпус датчика, вторая v в камак-блок. Регистрация нейтронов и протонов проводилась по отдельным пикам осциллограммы, число получаемых пиков за один импульс (1.3 мс) составляло до ~4000. Снятие осциллограммы с большим числом точек (262000) и хорошим разрешением (временной квант 5 нс) позволяло использование АЦП, разработанных в ИЯФ. Использование подвижной заслонки позволяло отделить потоки протонов от нейтронов, а алюминиевая фольга толщиной 20 мкм закрывала сцинтиллятор от излучения плазмы. После обработки временных сигналов с ФЭУ получены амплитудные спектры сигналов отдельно для протонов и для нейтронов, имеющие характерную форму для каждого вида частиц. Поскольку плотность дейтонов имеет максимумы вблизи точек остановки, между которыми быстрые ионы совершают ?баунс-колебания¦, плотность потока нейтронов возрастает в этих областях. Для исследования пространственного распределения потоков продуктов DvD реакций датчик устанавливался в нескольких точках вдоль длины ГДЛ, и в каждом положении проводилась серия выстрелов для достаточной статистики. Полученные продольные распределения нейтронного выхода сравнивались с результатами численных расчётов. Сравнение расчётов [2] с измеренным продольным распределением потока протонов на датчик позволило сделать вывод, что ширина распределения быстрых дейтонов по питч-углам не превышает 3°. Измеренная пикировка протонного потока на датчик, расположенный на расстоянии 34 см, составила около 4. ПОВЕДЕНИЕ ПРОДУКТОВ СИНТЕЗА В АЛЬТЕРНАТИВНОЙ D-3He КОНФИГУРАЦИИ С ОБРАЩЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В работе проводится анализ движения частиц в обращённых магнитных конфигурациях (FRC) на примере сферической и удлиненной конфигурации Hill`s vortex [1], равновесия Соловьева [2] и аналитического равновесия, полученного Штейнхауэром [3]. Представленные в данной работе результаты относятся к продуктам термоядерного синтеза D-3He реакций - 14,7 МэВ-ным протонам и гелию-3 с энергией 3,6 МэВ, но основное внимание уделено протонам, т.к. они в большей степени влияют на передачу энергии фоновым частицам, удержание плазмы и возможность прямого преобразования энергии высокотемпературных частиц в электричество. Динамика частиц FRC представлена как в области открытых силовых линий, так и в области замкнутых, которые разделены между собой сепаратрисой. Для продуктов термоядерной реакции D-3He (протон и гелий-3) построены траектории движения. Рассмотрены частицы как в области абсолютного удержания (вылетающие за сепаратрису в область открытых силовых линий, но удерживаемые в системе), так и удерживаемые внутри сепаратрисы. Показаны области удержания продуктов синтеза при условии более строгого радиального (максимально возможная эквипотенциальная поверхность касается радиальной стенки прежде, чем она коснется аксиальной) и наоборот, более строгого аксиального удержания. Возможные области потерь, по аналогии с ?конусом потерь¦ амбиполярной ловушки, рассматриваются для разных моделей равновесия (аналитического и экспериментального). Для моделей и геометрий равновесия FRC получено, что частица, рожденная внутри сепаратрисы, при любых условиях будет пересекать плоскость симметрии z=0, если она удерживается системой. Выявлены наиболее стабильные траектории продуктов, удерживаемых системой. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ИНЖЕКЦИЕЙ НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗА И МГД-УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛОВУШКЕ Центральной задачей экспериментов на установке Газодинамическая ловушка является исследование магнитного удержания и нагрева многокомпонентной плазмы. Эти исследования направлены, прежде всего, на создание физической модели генератора термоядерных нейтронов с высокой плотностью потока. В ходе последних экспериментов по созданию и нагреву плазмы с высокимbна установке ГДЛ для компенсации потерь вещества через пробки был использован метод осевой инжекции молекулярного водорода. Было показано, что данный метод представляет собой рабочий альтернативный вариант традиционному для ГДЛ сценарию наполнения установки плазмой при помощи плазменной пушки и обладает рядом существенных преимуществ: простота и относительная дешевизна системы, минимальное потребление энергии, возможность получения параметров плазмы в широком диапазоне и некоторые другие. В экспериментах с использованием осевой инжекции газа характерное значение электронной температуры на оси ~ 80 эВ, плотности ~ 7Ч1013 см-3, при этом радиус плазменного шнура ~ 5 см. Использование сценария эксперимента с кратковременным включением плазменной пушки для создания стартовой плазмы и напуском нейтрального газа на стадии атомарной инжекции предоставляет дополнительные возможности. Так, малый радиальный размер плазменного шнура, характерный для этого режима, является преимуществом в экспериментах с дейтериевой плазмой и пучками, посвященных исследованию популяции быстрых ионов по измерениям пространственных распределений продуктов термоядерных реакций, что подтверждается проведенными измерениями. Отказ от использования плазменной пушки для подвода вещества в плазму на стадии нагрева позволяет экспериментально изучить условия МГД-устойчивости плазмы конечного давления в аксиально-симметричной магнитной конфигурации, исследовать стабилизирующие свойства каспа как МГД-якоря. Для решения этой задачи был проведен анализ энергетического баланса плазмы в устойчивом и неустойчивом режимах удержания, вычислены запасы устойчивости для плазмы в центральном пробкотроне при различных параметрах плазмы в каспе. Была исследована зависимость энергетического времени жизни плазмы от запаса устойчивости и процесс перехода через границу устойчивости. ГЕНЕРАЦИЯ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ В КОСМИЧЕСКИХ ДЖЕТАХ Недавнее обнаружение
оптического послесвечения космических гамма-всплесков означает, что их источники
находятся на космологических расстояниях, а потому энергия, выделяемая в
всплеске составляет (по оценкам) величину порядка 1052 эрг. Энергия подобного масштаба могла бы выделиться при
слиянии компонент следующих двойных систем: N-N, N-H, H-H ( N - нейтронная
звезда, H- черная дыра). Эта гипотеза о источниках гамма-всплесков является
наиболее общепринятой. Однако, на наш взгляд, в ней есть два слабых места.
Первое из них связано с редким наблюдением на луче зрения гамма-всплеска самой
?хозяйской¦ галактики, в которой произошло слияние компонент перечисленных
двойных систем. Второе связано с отсутствием вспышек нейтринного излучения,
которое должно было бы возникать при слияниях: N-N, N-H, H-H.
О ПОЛОИДАЛЬНОМ ПЕРЕКРЫТИИ "МАГНИТНЫХ ОСТРОВОВ" В ТОРОИДАЛЬНЫХ ЛОВУШКАХ Рассматривается относительно малоизвестный эффект воздействия тороидальности на структуру магнитного поля в магнитных ловушках типа токамака или стелларатора (с ненулевым вращательным преобразованиемi ¦ 0). Как известно [1], неоднородность геометрии тора по малому обходу приводит к возникновению спектра гармоник-сателлитов ( l ¦ n) q- mf , где l-мультипольность по малому (q ) , а m-по большому (f) обходам тора для выделенной произвольной гармоники "возмущения", n-номер порядка разложения метрических коэфициентов по параметру тороидальности a/R. При этом наиболее широко известен эффект воздействия "обертонов" ( l+ n) q- mf , сводящийся к возможности перекрытия вызываемых ими магнитных островов в областях с достаточно большим магнитным широм[2]. Эффект же воздействия "субгармоник" ( l-n) q - mfво многих случаях просто игнорируется. Между тем, как впервые было показано в [3], воздействие субгармоник часто более важно, чем эффект воздействия обертонов, поскольку они разрушают как раз те (присепаратрисные) области магнитного поля, где последние могли бы проявиться. Как показано, субгармоники, обусловленные неоднородностью геометрии тора по малому обходу, также приводят к своеобразному перекрытию магнитных островов, но уже не в "радиальном" направлении, а по полоидальному азимуту. При этом разрушается неустойчивая топология гиперболических осей и возникают "специфические магнитные потоки рассеяния", охватывающие магнитно-островные подструктуры. В пределах этих потоков рассеяния практически стохастизируется ход силовых линий, что может повлечь существенные изменения в коэффициентах переноса удерживаемой плазмы. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ КОЛЕБАНИЙ В ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ЛОВУШКЕ - ГАЛАТЕЕ ?ОКТУПОЛЬ¦ Измерение интенсивности электронного циклотронного
излучения в настоящее время является мониторной диагностикой для определения
профиля электронной температуры в токамаках. Эта интенсивность испытывает
временные флуктуации, изучение которых может дать интересную дополнительную
информацию о процессах, их вызывающих. Существует два причины, приводящих к
флуктуациям интенсивности ЭЦ излучения: во-первых, случайный характер ?черного¦
излучения и, во-вторых, присутствие в плазме низкочастотной дрейфовой
турбулентности. Экспериментально эти две компоненты могут быть разделены с
помощью корреляционных измерений, с использованием сигналов, излучаемых в двух
разных пространственных точках плазменного объема. Подобные измерения были
выполнены на нескольких больших установках [1,2]. Для интерпретации полученных
таким образом экспериментальных данных необходима теория , адекватно описывающая
процесс модуляции интенсивности ЭЦ излучения низкочастотными турбулентными
пульсациями. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ БЕРНШТЕЙНОВСКИХ ВОЛН В СФЕРИЧЕСКИХ ТОКАМАКАХ. Безразмерный параметр wре2/wсе2, характеризующий соотношение между концентрацией и магнитным полем в центре камеры, играет ведущую роль при возбуждении и распространении волн электронно-циклотронного диапазона частот в плазме магнитных ловушек. Возбуждение и распространение волн в установках, где wре2/wс2~!drslt1, существенно отличается от поведения волн в установках сwре2/wсе2>>1, к примеру такие режимы будут осуществлены в сферических токамаках. Исходя из особенностей поведения волн для установок, где wре2/wсе2!9 >> 1 в центре камеры, в работах [ 1,2] предложен сценарий нагрева, в котором предполагается эффективное возбуждение электронных бернштейновских (ЭБ) волн через механизм трансформации падающих необыкновенной (Х) и обыкновенной (О) мод со стороны слабого магнитного поля. Эффективность такого нагрева обусловлена близким расположением всех особых точек, встречающихся при распространении волны (отсечек для Х-моды, О-моды и положением верхнегибридного резонанса). В настоящей работе на примере Глобуса-М исследовано поведение волн в данном диапазоне частот и показана высокая эффективность ввода ВЧ-мощности. Рассчитаны коэффициенты отражения при падении плоской монохроматической волны при различных углах падения. Обнаружено, что существует область оптимальных углов падения для О и Х мод. Рассчитаны электрические поля в плазме. При хорошей фокусировке падающего пучка происходит, по-видимому, эффективная трансформация в ЭБ волну за один проход. Вопрос о дальнейшем распространении и поглощении ЭБ волны пок!а не рассматривался. Эта тема нуждается в дальнейшем исследовании методом расчета лучевых траекторий. ЕСТЕСТВЕННЫЕ КАБЕЛИ В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКА (ЭКСПЕРИМЕНТ) Представлены результаты [1] обработки изображений плазмы
токамаков методом многоуровнего динамического контрастирования (МДК), который
был ранее разработан и использован для анализа обширной базы данных по линейному
Z-пинчу [2,3]. Исследованные изображения были получены в видимом свете (с
достаточно высоким временным и пространственным разрешением) на различных
токамаках разными авторами. Результаты свидетельствуют о наличии в плазме
токамаков жестких филаментарных структур. (Эти структуры аналогичны структурам,
обнаруженным ранее в Z-пинче [2,3], долгоживучесть которых прослежена в [4,5]).
Надежность полученных результатов обеспечивается богатой статистикой
обнаруженных структур, значительной степенью их подобия в различных режимах и
различных установках, а также независимостью обнаруженной структуризации от
способа получения изображений. Часто наличие указанных структур легко обнаружить
и без использования метода МДК (последний позволяет выявить тонкие детали этих
структур). Сформулирована гипотеза и предложена качественная модель для объяснения происхождения жестких тубулярных структур, обнаруженных в плазме токамака и являющихся основой долгоживущих филаментарных структур (см. предшествующую аннотацию). Предложено [1,2], что эти структуры являются ?естественными кабелями¦, образованными вследствие каналированного транспорта электромагнитной энергии, накачиваемой из внешней электрической цепи в виде полоидального поля, часть которого преобразуется в высокочастотные электромагнитные волны. Эти волны распространяются в центр плазмы вдоль гипотетических (углеродных) микротвердотельных каркасов [3-5]. Такие каркасы выстраиваются в процессе электрического пробоя. В течение всего разряда они защищены от воздействия окружающей высокотемпературной плазмы вакуумным промежутком (каналом), создаваемым силой Миллера, обусловленной, в свою очередь, электромагнитными волнами типа TEM. Эти волны формируются вблизи каркаса и могут быть ответственны за нелокальную компоненту переноса энергии в токамаке. Важно то, что формирование и распространение TEM волн возможно именно благодаря присутствию микротвердотельных каркасов типа [3-5]. Обсуждаются возможные механизмы аномально низкой диссипативности такого рода кабельной системы. ОБОБЩЕНИЕ ВАРИАЦИОННОГО ПРИНЦИПА ТЭЙЛОРА НА ПЛАЗМУ ТОКАМАКА С ВНУТРЕННИМИ ТРАНСПОРТНЫМИ БАРЬЕРАМИ Представлена вариационная процедура для определения
равновесных пространственных профилей полоидального магнитного поля, плотности
продольного электрического тока и давления плазмы в токамаке при наличии
внутренних транспортных барьеров (ВТБ). Указанная процедура минимизирует сумму
магнитной и тепловой энергии в плазме с использованием (а) уравнения
Грэда-Шафранова и (б) условия сохранения магнитной спиральности для каждой из
радиальных секций между соседними ВТБ при заданном (конкретно - извлекаемом из
эксперимента) расположении самих барьеров. Проведенные численные расчеты
предсказывают существование сильных (поверхностных) электрических токов,
локализованных на ВТБ (вблизи рациональных значений q) и направленных против
основного тока. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИСИИ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ЗОНДИРОВАНИЯ ПУЧКОМ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ. И.С. Бондаренко, Н.Б. Древаль, А.Д. Комаров, А.С. Козачек, Л.И. Крупник., *И.С. Недзельский, С.М. Хребтов Институт Физики Плазмы. Национальный научный центр "Физико-Технический
Институт", Харьков, Украина Одна из наиболее сложных проблем в диагностике плазмы
пучком тяжелых ионов (Heavy Ion Beam Probe diagnostic (HIBP)) - измерение
абсолютного значения потенциала плазмы. Для измерения потенциала плазмы с
погрешностью 10В при энергии зондирующего пучка 100кэВ необходимо обеспечить
измерение энергии вторичных ионов с погрешностью не хуже чем 10-4. Для этих целей в HIBP диагностике используется 30°
электростатический анализатор энергии типа ?плоское зеркало¦ Прока Грина [1].
ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ДИАГНОСТИКЕ ПЛАЗМЫ ПУЧКОМ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ. И.С. Бондаренко1, К. Варандас4, И. Гарсиа-Кортес3, Н.Б. Древаль1, К. Идальго3, А.Д. Комаров1, А.С. Козачек1, Л.И. Крупник1, А. Малакиш4, А.В. Мельников2, С.М. Хребтов1 1Институт Физики Плазмы. Национальный научный
центр "Физико-Технический Институт", Харьков, Украина Диагностика пучком тяжелых ионов (Heavy Ion Beam Probe
diagnostic (HIBP)) это прямая, локальная, многофункциональная диагностика,
которая позволяет проследить развитие во времени двухмерных распределений
различных параметров плазмы, таких как электрический потенциал Ф, плотность n,
полоидальная компонента магнитного поля Bp и температура электронов
Te, также, как и их фдукткаций. Локальные и прямые измерения
электрического поля плазмы бесконтактным методом возможны только посредствам
HIBP диагностики [1]. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В
СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М Описывается методика спектральных измерений радиального
распределения излучения ионов примесей в видимой и ближней ультрафиолетовой
области спектра. РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В РАЗРЯДАХ С УЛУЧШЕННЫМ УДЕРЖАНИЕМ ПРИ ЭЦР НАГРЕВЕ НА УСТАНОВКЕ Т-10. Работа продолжает исследования характеристик мелкомасштабных флуктуаций плотности в различных режимах на установке Т-10. Характеристики турбулентности изучались в режиме с нецентральным ЭЦР нагревом плазмы, где было обнаружено улучшение удержания частиц. Изучение поведения флуктуаций плотности проводилось с помощью гетеродинного рефлектометра, работающего в диапазоне частот 25ё37 ГГц, что соответствует критическим плотностям 0.8ё 1.7Ч1019 см-3[1]. В исследуемом режиме через 300 мс после начала ЭЦР нагрева начинался рост плотности, сопровождавшийся резким падением интенсивности Da вблизи стенки камеры и возрастанием интенсивности линии Da вблизи диафрагмы. Было показано, что при отражении от наружних слоев плазменного шнура амплитуда турбулентности уменьшается до 3 раз после падения интенсивности Da, при этом основное уменьшение происходит в области высоких частот. Полоидальная когерентность флуктуаций в этой области шнура также значительно уменьшается. При отражении от внутренних слоев амплитуда турбулентности во время ЭЦР нагрева существенно не меняется, но после падения интенсивности Daувеличивается полоидальная когерентность сигналов рефлектометра. Для локализации положения зоны уменьшения турбулентности были сняты характеристики турбулентности на разных радиусах в серии воспроизводящихся разрядов. Показано, что зона подавления турбулентности расположена в узком (~2 см) слое вблизи диафрагмы и совпадает с зоной значительного уменьшения полоидальной когерентности. В более центральных областях когерентность возрастает, причем существует четкая граница между зонами с уменьшения и увеличения когерентности. ПРИПОВЕРХНОСТНАЯ ПСЕВДОСИММЕТРИЯ Для вакуумных магнитных полей показана принципиальная возможность расчета граничной непараксиальной замкнутой (периодической) равновесной магнитной поверхности, удовлетворяющей условию псевдосимметрии (квазисимметрии) [1-2] точно и обеспечивающей ассимптотическое выполнение условия псевдосимметрии (квазисимметрии) в малой области возле этой поверхности. Получены уравнения, обеспечивающие расчет граничной поверхности при заданой специальной зависимости модуля магнитного поля в специальных магнитных потоковых координатах. При этом эти координаты технически используются как обычные угловые координаты, а их ?магнитность¦ устанавливается дополнительным интегральным условием. Приведен пример аналитического расчета ортогональной магнитной поверхности в ?трубчатом¦ приближении. |