ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 1, с. 11-20
МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ
УДК 533.924
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ИСПАРЕНИЯ И РАЗЛЕТА ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ КРУПИНКИ В ПЛАЗМЕ, НАГРЕТОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
© 2004 г. Р. Ю. Акентьев, А. В. Аржанников, В. Т. Астрелин, А. В. Бурдаков, И. А. Иванов, В. С. Койдан, К. И. Меклер, С. В. Полосаткин, В. В. Поступаев, А. Ф. Ровенских, С. Л. Синицкий
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Поступила в редакцию 04.02.2003 г.
Окончательный вариант получен 03.06.2003г.
Представлены результаты экспериментов по инжекции твердотельных крупинок в нагретую электронным пучком плазму на установке ГОЛ-3. Для этого на установке смонтированы два инжектора крупинок. Эксперименты проводились при следущих параметрах: основная плазма с плотностью ~1015 см-3, создававшаяся в соленоиде с полем 4.8 Тл, нагревалась мощным электронным пучком (1 МэВ, ~7 мкс, 120-150 кДж). Перед началом нагрева в центр плазменного столба перпендикулярно магнитному полю инжектировалась крупинка. Инжекция велась в двух точках по длине плазменного столба - на расстояниях ~6.5 м и ~2 м от входной магнитной пробки. Использовались крупинки из полиэтилена массой 0.1-1 мг и дейтерида лития массой 0.02-0.5 мг. После начала инжекции электронного пучка в плазму в течение нескольких микросекунд образуется сгусток плотной плазмы, разлетающийся первоначально сферически. Затем периферия сгустка нагревается и становится за-магниченной. Далее расширение фронта плотной плазмы происходит вдоль магнитного поля со скоростью порядка 300 км/с. Сравнение наблюдаемых величин с расчетами по гидродинамической модели показывает, что для объяснения такой скорости расширения сгустка плотность падающей полной энергии на крупинку должна быть ~1 кДж/см2. Это число превышает соответствующую величину для основной плазмы, т.е. наблюдается концентрация энергии поперек магнитного поля в плотный сгусток испаренной макрочастицы.
1. ВВЕДЕНИЕ
Одной из альтернативных термоядерных систем с магнитным удержанием является многопробочная ловушка, в которой для увеличения времени жизни плазмы магнитное поле имеет конфигурацию гофрированного соленоида [1]. В схеме многопробочного удержания длина свободного пробега ионов должна быть существенно меньше полной длины системы, поэтому для достижения реакторных параметров при разумных размерах установки плазма должна иметь плотность ~1017 см-3 и, соответственно, величину в больше единицы (подробности о таких системах см. в [2]). Задача получения такой плазмы к настоящему времени пока не решена.
Работы на установке ГОЛ-3 проводятся в основном с целью изучения физики получения и удержания плотной горячей плазмы в многопробочной магнитной системе [3]. Схема эксперимента приведена на рис. 1. Водородная или дейте-риевая плазма, имеющая плотность от 1014 до 1016 см-3, создается при помощи специального прямого разряда в продольном магнитном поле. Приведем параметры, типичные для обсуждаемых экспериментов с инжекцией крупинок. Дли-
на плазменного столба ~12 м, диаметр - 7 см (диаметр приведен для магнитного поля 4.8 Тл). Магнитное поле создается соленоидом, магнитная индукция в однородной части равна 4.8 Тл, поле в концевых пробках - 9 Тл. Вблизи концов соленоида было сформировано по 10 ячеек длиной 22 см каждая с полем в минимуме 3.3 Тл. Таким образом были созданы два участка с гофрированным магнитным полем. Для нагрева плазмы в нее инжектируется релятивистский электронный пучок (максимальная энергия электронов ~1 МэВ, максимальный ток ~30 кА, длительность по основанию ~7 мкс, энергосодержание за импульс 120-150 кДж, диаметр пучка 6 см в магнитном поле 4.8 Тл).
Кратко рассмотрим физику пучкового нагрева плазмы применительно к условиям данного эксперимента (по работам [3-6]). В результате коллективного взаимодействия пучка с плазмой в ней возбуждаются резонансные с пучком ленгмюров-ские колебания, которым пучок передает часть своей энергии. Затем в результате нелинейной релаксации этих колебаний происходит нагрев электронов плазмы. Экспериментально показано, что пучок может терять до 30-40% своей энергии при прохождении через плазменный столб длиной 12 м. При этом во время инжекции
Рис. 1. Схема установки ГОЛ-3. Цифрами обозначены: 1 - генератор электронного пучка У-2, 2 - система генерации электронного пучка (ленточный диод и область магнитной компрессии пучка), 3 - участки гофрированного поля, 4 -соленоид, 5 - выходной узел (система генерации предварительной плазмы и приемник пучка). Стрелками показаны места расположения двух инжекторов крупинок.
пучка электронная температура плазмы растет и при плотности 1015 см-3 может достигать 2 кэВ. Ионная температура остается невысокой из-за короткого времени существования горячей плазмы.
При увеличении плотности плазмы эффективность релаксации пучка уменьшается, достигаемая электронная температура становится меньше. В то же время для реализации режима многопробочного удержания нужна высокотемпературная плазма с плотностью ~1017 см-3. Такая плотность является слишком высокой для эффективной релаксации пучка за счет коллективных эффектов. Для достижения высокой температуры плотной плазмы на установке ГОЛ-3 впервые был реализован т.н. метод двухступенчатого нагрева плотной плазмы [7]. Суть метода в том, что в длинном столбе основной плазмы с плотностью ~1015 см-3 создается короткий плазменный сгусток с плотностью 1017-1018 см-3. Основная плазма нагревается за счет релаксации электронного пучка, затем происходит выравнивание температур основной плазмы и сгустка за счет парных столкновений.
Эксперименты по этой схеме проводились с использованием импульсного напуска газа для формирования требуемого профиля плотности по длине установки. Получено увеличение давления плазмы до 3-х раз по сравнению с давлением однородной плазмы с оптимальной для релаксации пучка плотностью. Ионная температура в плотных сгустках близка к электронной (измерена ионная температура до 150 эВ при плотности выше 5 х 1015 см-3 [5]). Дальнейшее увеличение температуры сгустка плотной плазмы ограничи-
вается продольной теплопроводностью и быстрым продольным расширением плотного сгустка.
Проведенные эксперименты показали работоспособность схемы двухступенчатого нагрева плотной плазмы. В то же время методика получения плотного сгустка за счет импульсного напуска газа имеет ряд ограничений:
а) плотным газом заполняется все сечение камеры, а не только область, занятая плазменным шнуром. При этом большая плотность нейтрального газа на периферии шнура приводит к росту потерь из-за перезарядных потерь, потерь на ионизацию и способствует охлаждению периферии плазмы;
б) наличие плотной и холодной периферии плазмы затрудняет или делает невозможным использование ряда традиционных методов диагностики (анализ нейтралов перезарядки, анализ интенсивности и профиля спектральных линий);
в) рост плотности облака нейтрального газа способствует возникновению условий для развития винтовой неустойчивости. Это связано с тем, что при увеличении плотности выше некоторой степень начальной ионизации плазмы становится незначительной. Это приводит к ухудшению компенсации тока электронного пучка при его транспортировке через плазму. Большой некомпенсированный ток пучка является причиной потери макроскопической устойчивости пучка при превышении предела Шафранова-Крускала;
г) ограничен элементный состав вводимых в плазму газов.
В представленной работе описываются эксперименты по созданию плотных плазменных сгустков методом инжекции твердотельных крупинок. Крупинка вещества с числом атомов масштаба 1020 вводится в определенную точку по сечению плазменного столба. Под действием потока быстрых электронов происходит быстрое разрушение крупинки, ее последующее испарение и ионизация атомов. При этом плотный сла-боионизированный пар может распространяться на расстояние ~1 см и поперек магнитного поля. После полной ионизации вещества образовавшаяся плотная плазма становится замагниченной, дальнейший ее нагрев происходит так же, как в описанной выше двухступенчатой схеме. Такой сценарий получения плотного плазменного сгустка не имеет перечисленных выше недостатков схемы импульсного газонапуска. Помимо задачи получения плотного сгустка с высоким давлением плазмы, предложенную технологию можно использовать и для решения следующих физических задач: локальная диагностика параметров плазмы (совместно с оптическими методиками), получение яркого источника линейчатого излучения многозарядных ионов заданного элементного состава, изучение абляции вещества в высокотемпературной плазме.
Методика инжекции крупинок вещества в плазму известна и используется на ряде установок для подпитки плазмы веществом, управления профилем плотности и для целей диагностики (см., например, [8-10]). Диапазон физических параметров, характерных для ГОЛ-3, позволяет использовать нетрадиционный подход к методике инжекции крупинок в плазму и значительно упростить и удешевить необходимое оборудование. Время существования плазмы мало, поэтому крупинку можно инжектировать в нужную точку к началу разряда, исключая ее транспортировку сквозь горячую плазму (снижается необходимая начальная скорость инжекции, исключается испарение наружных слоев крупинки на периферии). Радиационными потерями плазмы на этом этапе экспериментов можно пренебречь даже при высокой концентрации примесей, поэтому в обсуждаемой системе инжектируются крупинки из твердых водородосодержащих веществ (полимеры, гидрид лития и т.п.). Крупинки для диагностических целей могут быть с практически любым химическим составом.
2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ДИАГНОСТИКИ
Для создания инжектора крупинок была выбрана электродинамическая схема. Параметры системы определялись следующими техническими требованиями: независимость работы системы от материала и веса (в пределах 0.1-10 мг)
крупинки, возможность проведения до 5 импульсов без нарушения вакуума в установке, точная синхронизация с остальными системами установки. Электродинамическая система инжектора состоит из плоской катушки и расположенного вплотную к катушке диска-то
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.