Формирование плазменного шнура многопробочной ловушки ГОЛ-3

Одним из альтернативных подходов к решению проблемы магнитного термоядерного синтеза является разработка реактора на основе аксиально-симметричной многопробочной ловушки, идея которого предложена Г. И. Будкером, В. В. Мирновым и Д. Д. Рютовым [1]. Суть этого метода удержания плазмы заключается в том, что магнитное поле соленоида делается гофрированным, так что плазма, вытекающая из ловушки, проходит множество связанных пробкотронов. При этом происходит переход в новое качество: при определенных параметрах плазмы частицы захватываются в отдельные пробкотроны, а в целом плазма диффундирует сквозь такую систему, так что время жизни частиц существенно возрастает по сравнению с классическим. Метод многопробочного удержания частиц достаточно надежно обоснован как теоретически, так и экспериментально. На основе многопробочной ловушки был предложен проект гипотетического термоядерного реактора[2,3,4]. В нем горячая плазма с плотностью 1017 А Л.

10 см" удерживается в соленоиде с гофрированным магнитным полем длиной масштаба 100 метров.

Для реализации проекта необходимо решить некоторые принципиальные проблемы. Одна из них связана с поперечным удержанием плазмы. Дело в том, что давление плазмы в такой системе намного превосходит давление магнитного поля, поэтому плазма должна фактически опираться на стенку внешней камеры. Теоретически было показано (см. 5]), что возможно эффективное удержание плазмы в системе с гофрированными стенками, повторяющими ход силовых линий магнитного поля. Экспериментальная проверка метода стеночного удержания горячей плазмы до сих пор не реализована.

Другой ключевой проблемой является обеспечение эффективного нагрева плотной плазмы до термоядерных температур (~10кэВ) в соленоиде. За время, меньшее, чем энергетическое времени жизни, необходимо вложить в плотную плазму энергию масштаба 100 МДж. Для этого требуются мощности нагрева в десятки гигаватт за времена в сотни микросекунд. Для решения этой задачи выгодно использовать мощные релятивистские электронные пучки (РЭП).

В основе метода нагрева плазмы с помощью электронных пучков лежит коллективное взаимодействие релятивистского пучка с плазмой. К настоящему времени существует множество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию физики взаимодействия пучков с плазмой (см., напр., [6,7], работы [8−18] и литературу к ним). Одним из направлений этих исследований является изучение взаимодействия мощных релятивистских электронных пучков (РЭП) с плазмой. Первые экспериментальные исследования по коллективному взаимодействию мощных РЭП с плазмой проводились с использованием пучков наносекундной длительности, энергосодержание которых не превышало нескольких килоджоулей. В работе [19] по инжекции РЭП в плазму с плотностью —10 см" была показана возможность релаксации мощного электронного пучка в плазме. Проводившиеся с начала 1970;х гг. на установке ИНАР [20] эксперименты были направлены на поиск условий эффективной бесстолкновительной релаксации пучка в существенно более плотной, по сравнению с экспериментами [19], плазме. Как известно из теории (см., напр., [16]), инкремент пучковой неустойчивости в кинетическом режиме существенно зависит от параметров эксперимента: г (О р п уАв2 где СОр — ленгмюровская частота плазмы, щ, у и @ - плотность, релятивистский фактор и угловой разброс пучка. В экспериментах было показано, что при увеличении плотности тока пучка (плотности пучка щ), уменьшении углового разброса пучка ® С 1 возможен эффективный нагрев плазмы с плотностью до я—10 см" [21,22,23]. Тогда же были получены первые экспериментальные результаты, свидетельствующие о том, что механизмом торможения пучка является пучковая неустойчивость, приводящая к развитию интенсивных плазменных колебаний. Прямое наблюдение ленгмюровской турбулентности, а также других видов колебаний, было проведено на ныне действующей установке ГОЛ-М [25,26]. Различным аспектам физики взаимодействия РЭП с плазмой были посвящены эксперименты на других установках [27−42]. В целом к началу 80-годов было экспериментально продемонстрировано, что за счет коллективных эффектов наносекундные РЭП эффективно тормозятся в плазме с плотностью вплоть до 1−3 1015см~3, и соответственно передают свою энергию плазменным электронам. Например, на установке ИНАР-2 потери энергии пучка достигали 40% на длине всего 75 сантиметров, что в миллион раз эффективнее, чем при классическом торможении пучка в плазме [43, 44]. Основные результаты исследований по нагреву плазмы наносекундными электронными пучками содержатся в [45].

Новым этапом в исследовании пучково-плазменного взаимодействия стало создание генераторов релятивистских электронных пучков микросекундной длительности с воздушной изоляцией. На установке У-1- СПИН была продемонстрирована возможность получения электронного пучка с энергозапасом более 100 кДж, его сжатия и транспортировки в магнитном поле [46−49]. Аналогичный по параметрам ускоритель У-3 использовался для нагрева плазмы в длинном соленоиде на первой очереди установки ГОЛ-3 [50].

В настоящее время в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера (Новосибирск) ведутся эксперименты по нагреву и удержанию плазмы в открытой многопробочной ловушке ГОЛ-3 [51]. Схема установки приведена на рис. 1. Магнитная система длиной около 18 м состоит из участка для транспортировки и компрессии греющего электронного пучка длиной около 4 м, основного соленоида длиной ~ 12 м и расширителя с уменьшением поля с уменьшением поля в 40 раз. Плазма нагревается электронным пучком (1 МэВ, 30 кА, 8 мкс) с полным энергосодержанием до 200 кДж.

Электронный пучок за счет коллективного взаимодействия эффективно передает энергию электронам плазмы, так что к моменту окончания инжекции электронная температура достигает 2 кэВ [52]. Полученные результаты позволили перейти к систематическому изучению нагрева и удержания ионной компоненты плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3. Вместе с тем, проведение новых экспериментов потребовало существенной модернизации установки.

Суть проблемы состоит в следующем. На установках предыдущего поколения предварительная плазма создавалась с помощью кольцевых плазменных пушек [42], разрядом типа Пенинга в диэлектрической камере ([53,54]), либо с помощью прямого разряда в металлической камере ([55,58]). Как правило, в таких экспериментах имелся прямой контакт плазмы с материальными электродами. На первой очереди установки ГОЛ-3-I такими электродами служили, со стороны ускорителя — разделительная фольга, а со стороны приемника пучка — высоковольтный электрод прямого разряда [69].

Для экспериментов по нагреву плазмы с помощью релятивистских электронных пучков такая конфигурация была достаточной, поскольку время жизни плазмы в ловушке было относительно небольшим. Однако при переходе на установке ГОЛ-3 к экспериментам с длительным удержанием горячей плазмы режим работы с разделительными фольгами оказался неприемлемым. Это связано с тем, что образующееся после испарения фольги облако плотной холодной плазмы распространяется вдоль магнитного поля с характерной скоростью 106−107см/с, тем самым определяя время существования горячей плазмы ~50 мкс. Температура в облаке, из-за ионизационного охлаждения, не превышает нескольких десятков электрон-вольт, что приводит к быстрому остыванию основной плазмы за счет электронной теплопроводности.

Таким образом, наличие разделительной фольги препятствовало проведению экспериментов по удержанию плазмы в многопробочной ловушке. Кроме того, необходимость ежедневного развакуумирования камеры для смены фольг определяла невозможность получения высокого вакуума и ограничивала экспериментальные возможности установки. В связи с этим возникла необходимость получения плазменного столба со свободными границами. Для создания такого столба необходимо было решить две основные задачи:

— создание требуемого для проведения экспериментов начального распределения концентрации газа по длине установке при сохранении высокого вакуума в диоде ускорителя;

— получение начальной токонесущей плазмы для компенсации тока электронного пучка в отсутствие расположенных в сечении пучка материальных электродов.

Для решения первой задачи была разработана система импульсного напуска газа в установку, обеспечивающая создание требуемого распределения начальной концентрации водорода по длине.

Для создания предварительной плазмы и обеспечения компенсации тока пучка был создан новый выходной источник плазмы, а также проведена модернизация входной части установки. В области сжатия пучка установлены графитовые лимитеры, на которые замыкается ток разряда. Проводимость плазмы поперек магнитного поля обеспечивается напуском плотного газового облака, параметры которого оптимизировались в серии специальных экспериментов.

Одним из существенных вопросов экспериментальной программы установки ГОЛ-3 является получение и нагрев плазмы с высокой см') плотностью. Повышение плотности приводит к увеличению скорости термоядерных реакций, и, как следствие, уменьшению габаритов потенциального реактора на основе многопробочной ловушки. В соответствии с формулой (1) при увеличении плотности плазмы эффективность пучково-плазменного взаимодействия падает. Для условий установки ГОЛ-3 электронный пучок кJ может передавать энергию плазме вплоть до плотности 5−10 см". Для нагрева плазмы большей плотности предложен метод двухступенчатого нагрева [59], который состоит в том, что в основной плазме с умеренной плотностью (~1015см~3) создается локальный плотный плазменный сгусток. Релятивистский электронный пучок передает энергию основной плазме, которая, в свою очередь, за счет теплопроводности нагревает участок плотной плазмы.

При создании облаков плотной плазмы с помощью импульсного напуска газа возникает ряд трудностей. Во-первых, при высокой начальной плотности газа ток, создаваемый источником плазмы, становится недостаточным для компенсации тока пучка, и плазма становится неустойчивой [56]. Во-вторых, наличие плотной газового облака на периферии плазменного шнура приводит к дополнительному охлаждению плазмы, а также препятствует использованию оптических и нейтральных диагностик.

Для преодоления этих трудностей в работе предложено использовать для создания облаков плотной плазмы метод инжекции твердотельных водородосодержащих крупинок. Инжекция твердотельных крупинок используется для ввода вещества в плазму на многих термоядерных установках, как правило, для этих целей используются криогенные инжекторы, формирующие крупинки твердого водорода, инжектируемые в плазму со скоростью ~200 м/с. Особенности эксперимента на установке ГОЛ-3 позволяют существенно упростить схему инжекции крупинок. Во-первых, большая мощность нагрева плазмы позволяет использовать некриогенные водородосодержащие вещества (например, полиэтилен или дейтерид лития), при этом мощность радиационных потерь оказывается существенно меньше мощности нагрева. Во-вторых крупинка может помещаться в нужную точку плазменного столба до начала нагрева, и следовательно не требуется большая скорость вбрасывания крупинки.

Для проверки возможностей использования инжекции крупинок в плазму был разработан электродинамический инжектор крупинок и проведена серия экспериментов по созданию плотных плазменных сгустков в плазме [57]. Эксперименты показали, что метод инжекции крупинок позволяет создавать в плазме локальные сгустки с плотностью.

1016−10 17 см³, которые эффективно нагреваются за счет передачи энергии от основной плазмы.

В результате работы установка ГОЛ-3 переведена в новый режим работы без непосредственного контакта плазмы с торцами многопробочной ловушки, характеризующийся высокой ионной температурой и временем удержания горячей плазмы. Модернизация систем создания начальной плазмы и напуска газа позволила проводить эксперименты по нагреву и удержанию плазмы с плотностью 1014−10|7см" 3 в гофрированном магнитном поле.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, в котором перечислены основные результаты работы. В первой главе рассматривается сценарий эксперимента на установке ГОЛ-3 и описываются специализированные диагностики, разработанные для определения параметров плазменного шнура.

Заключение

.

Предложена и реализована на многопробочной ловушке ГОЛ-3 принципиально новая схема формирования предварительной токонесущей плазмы, включающая в себя новый узел создания предварительной плазмы и систему многоточечного импульсного напуска газа. Это позволило перейти к экспериментам без непосредственного контакта горячей плазмы с разрушаемыми в каждом импульсе торцами многопробочной ловушки. В результате были существенно улучшены вакуумные условия и производительность установки.

Проведены эксперименты по отработке системы создания предварительной плазмы и найдены условия для получения макроскопически устойчивой транспортировки пучка через многопробочную ловушку в диапазоне плотностей 1014−1017 см'3. Оптимизирован профиль и состав газа в основной плазме, в области сжатия и расширения релятивистского электронного пучка с целью получения максимального энергосодержания и времени жизни плазмы.

Подготовлены новые плазменные диагностики, в том числе: модернизированная система томсоновского рассеяния с рубиновым лазером, однокадровая ВУФ обскура, ВУФ спектрометр с пространственным разрешением. Разработанные спектрометры включены в состав диагностических комплексов токамака CASTOR и многопробочной ловушки ГОЛ-3.

Измерены параметры горячей плазмы, в том числе динамика плотности и температуры, спектр излучения плазмы, определены основные источники примесей.

Проведены эксперименты по взаимодействию плазмы с инжектируемыми в плазму макрочастицами. Определена динамика разлета макрочастицы и параметры плазмы в образующемся плотном сгустке.

Благодарности.

Результаты исследований, представленные в диссертации, в значительной степени являются плодами труда коллектива лаборатории 10 Института ядерной физики им. Будкера СО РАН. В связи с этим автор выражает глубокую признательность за научное сотрудничество и участие в проведении экспериментов на установке ГОЛ-3.

A.В.Аржанникову, С. И. Синицкому, В. Т. Астрелину, В. Г. Иваненко, А. Ф. Ровенских, К. И. Меклеру, И. А. Иванову, А. Г. Макарову, Э. Р. Зубаирову, А. А. Шошину, Ю. С. Суляеву, С. А. Кузнецову, П. В. Калинину, В. Д. Степанову, М. В. Иванцивскому.

Автор благодарит за техническую поддержку, поддержание работоспособности установки ГОЛ-3 и помощь в изготовлении экспериментального оборудования.

B.А.Расторопова, Е. В. Мостипанова, А. В. Кутовенко, Б. П. Заева, А. П. Муллина.

Автор благодарен коллегам из Института физики плазмы (Чехия) В. Пиффлу и В. Вайнцеттлу за совместную работу по развитию ВУФ спектроскопии на установках CASTOR и ГОЛ-3, и А. Ю. Заболоцкому за постоянные консультации по проведению расчетов динамики излучения из плазмы.

Наконец, автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям А. В. Бурдакову и В. В. Поступаеву, а также В. С. Койдану за постоянную помощь, поддержку и внимание к работе.