ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 9, с. 779-806
ДИНАМИКА ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082.7.76
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗЫ ОКОНЧАНИЯ ПЛАЗМООБРАЗОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПРОРЫВОВ МАГНИТНОГО ПОТОКА ПРИ ИМПЛОЗИИ ПРОВОЛОЧНОЙ СБОРКИ
© 2014 г. К. Н. Митрофанов, В. В. Александров, Е. В. Грабовский, Е. А. Птичкина, А. Н. Грицук, И. Н. Фролов, Я. Н. Лаухин
ГНЦРФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"Москва, Россия e-mail: mitrofan@triniti.ru, alexvv@triniti.ru, angara@triniti.ru, griar@triniti.ru Поступила в редакцию 04.02.2014 г.
В опытах по имплозии многопроволочной сборки на установке Ангара-5-1 экспериментально исследованы характеристики явления прорыва магнитного потока внутрь сборки. Показано, что прорыв развивается на финальной стадии плазмообразования из вещества проволок и происходит в области их начального расположения. При помощи магнитных зондов измерены пространственные распределения азимутального магнитного поля внутри проволочных сборок из вольфрама, молибдена, меди и алюминия. Зарегистрировано распределение азимутального магнитного поля вдоль высоты сборки Bv(z, t) на различных стадиях имплозии. Определены характерные размеры областей неоднородного магнитного поля, которые возникают при развитии прорыва магнитного потока на внешней границе плазмы проволочной сборки. Проведено сравнение размеров этих областей с пространственными размерами областей пониженной эмиссии плазмы, зарегистрированных на кадровых и интегральных по времени рентгеновских изображениях. Динамика изменения пространственного распределения B^(z, t) в области неоднородного поля как следствие прорыва азимутального магнитного потока сопоставлена с динамикой изменения пространственного распределения светимости пинча в различные моменты процесса имплозии на рентгеновских кадровых изображениях пинча. Экспериментальные данные о характеристиках пространственно-неоднородного прорыва магнитного потока внутрь проволочной сборки анализируются в рамках модели плазменный ливень, представленной в работе [Александров В.В., Грабовский Е.В., Зукакишвили Г.Г., Зурин М.В., Комаров Н.Н., Красовский И.В., Митрофанов К.Н., Недосеев С.Л., Олейник Г.М., Порофеев И.Ю., Са-мохин А.А., СасоровП.В., СмирновВ.П., ФедуловМ.В., ФроловИ.Н., ЧерновА.А. // ЖЭТФ. 2003. Т. 124. № 4. С. 829.]. Приведены оценки величины плотности плазмы в области прорыва магнитного потока.
DOI: 10.7868/S0367292114090066
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования имплозии проволочных сборок и других конструкций лайнеров для получения мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ, Н\ > 100 эВ) [1] по программе инерциального термоядерного синтеза ведутся с 80-х годов прошлого века [2, 3] и по настоящее время [4—18]. На установке Z в лаборатории Сан-дия (США) при токе около 18 МА получен рекордный на данный момент уровень мощности и энергии МРИ порядка 280 ТВт и ~1.8 МДж соответственно при сжатии многопроволочных сборок [1]. Эксперименты на этой же установке по облучению и сжатию термоядерной мишени в схеме ИТС на основе применения Z-пинча и динамического хольраума показали перспективность такого подхода [19, 20]. Был получен выход термоядерных ЭЭ-нейтронов 3 х 1011 нейтро-нов/имп. По современным представлениям, для обжатия термоядерной ЭТ-мишени [3] в схеме
многопроволочного Z-пинча и получения высокого выхода энергии термоядерной реакции 500— 1000 МДж необходимо иметь мощный источник МРИ (>1000 ТВт, 6-10 МДж) [3, 21]. Для реализации подобного источника излучения в настоящее время проектируются и создаются мощные электрофизические установки с уровнем разрядного тока в несколько десятков мегаампер: Байкал (Россия, I = 50 МА, А? ~ 100 нс) [22], Эмир (Россия, I = 40 МА, А? ~ 4 мкс) [23], Х-1 (США, I~ 5070 МА, А? ~ 95-120 нс) [24, 25].
Несмотря на полученный в предыдущий период исследований большой объем экспериментальных и расчетно-теоретических данных по исследованию Z-пинчей для ИТС [26-30], в настоящее время проводятся исследования по созданию мощного источника мягкого рентгеновского излучения (МРИ) на основе Z-пинчей для реализации схемы ИТС с радиационным сжатием топлива в сферической термоядерной мишени непрямого облучения (МНО) [31-35]. Ос-
новными характеристиками такого источника в данной схеме ИТС являются мощность импульса МРИ и однородность облучения МНО [36, 37].
При исследованиях имплозии лайнеров и оптимизации их конструкции отдельное внимание уделяется плазменным неустойчивостям, возникающим на финальной стадии сжатия [27, 28, 38]. Действительно, на различных фазах формирования пинча развиваются процессы, приводящие к неустойчивостям. Например, на начальной фазе имплозии проволочных лайнеров — фазе нагрева вещества проволок разрядным током — имеет место перегревная неустойчивость, которая приводит к стратификации нагретого вещества. Стратификация нагретого током вещества определяется характером зависимости удельного сопротивления вещества от температуры и независимо от механизма производства плазмы влияет на пространственную структуру плазменных потоков с отдельных проволок, формирующуюся вдоль их высоты на стадии плазмообразования. При этом пространственные страты образуют вдоль высоты сборки начальные возмущения плотности на внешней границе раздела плазмы и магнитного поля разрядного тока. В дальнейшем, под внешней границей раздела плазмы проволочной сборки и магнитного поля будем подразумевать совокупность границ раздела плазмы отдельных проволок, из которых состоит сборка, и магнитного поля вне проволочной сборки. Создаются условия для развития МГД-неустой-чивости типа магнитной Рэлей-Тейлоровской (МРТ) неустойчивости. Происходит структурирование внешней границы плазмы проволочной сборки. При этом скорость возникновения таких структур вдоль внешней границы проволочной сборки определяется характерной длиной волны и амплитудой начальных возмущений, например, плотности вещества на границе. Чем выше их амплитуда и короче длина волны начальных возмущений, тем скорее они возрастают, приводя к разбиению внешней границы плазменного потока.
Упомянутые возмущения внешней границы плазмы проволочной сборки носят универсальный характер и неминуемо развиваются при формировании пинчевого разряда из проволок в твердом состоянии (холодный старт), ограничивая пространственно-временные характеристики кумуляции электромагнитной и кинетической энергии в области формирования пинча. Действительно, МРТ неустойчивость при имплозии проволочной сборки фактически оказывается стохастическим процессом, т.к. развитие этой неустойчивости происходит при ускорении плазменной оболочки в присутствии возмущений внешней границы плазмы. Поэтому кумуляция энергии сжимающейся плазмы на оси проволочной сборки происходит в различные моменты времени, приводя к уширению во времени ре-
зультирующего импульса мощности рентгеновского излучения и понижению его амплитуды. При этом на финальной фазе сжатия пинч подвержен различным модам МГД-неустойчивости: перетяжкам (т = 0) и винтовым возмущениям (т = 1, 2, ...).
Традиционно в эксперименте эффекты, связанные с развитием неустойчивостей, наблюдаются методами оптической, рентгеновской кадровой регистрации собственного свечения плазмы [9, 39— 41], а также рентгеновской радиографии плазмы [13, 14, 42, 43].
Причины возникновения и развития неустойчивых состояний плазмы проявляются в процессе испарения вещества остовов проволок уже на фазе плазмообразования. Испарение вещества остовов проволок и снос его в виде плазмы в сторону оси проволочной сборки происходит неоднородно по длине остова проволоки: возникает модуляция плотности вещества вдоль остовов проволок, наблюдаемая на теневых изображениях проволочной сборки.
На финальной стадии плазмообразования, когда заканчивается вещество в некоторых местах остовов проволок, при развитии МРТ-неустой-чивости происходит неоднородный по пространству, в том числе и по длине проволок, прорыв магнитного потока внутрь сборки. Прорывы магнитного потока по радиусу к оси сборки названы в работе [44] плазменным ливнем. Развитие плазменного ливня влияет на финальную стадию сжатия пинча: происходит несинхронное сжатие плазменных струй в осевую область проволочной сборки и, как следствие этого, при формировании Z-пинча создаются возмущения плотности плазмы на его внешней поверхности, которые в процессе самосжатия пинча приводят к МГД-не-устойчивости типа перетяжки (т = 0). Заметим, что некоторая часть массы проволочной сборки остается между Z-пинчем и начальным радиусом сборки, образуя область отставшей массы [29]. В области отставшей массы возможно шунтирование части разрядного тока, которое приводит к уменьшению тока пинча и, соответственно, снижению мощности источника МРИ.
В данной работе предлагается новый подход к исследованию влияния развития неустойчиво-стей на процесс сжатия пинча в многопроволочных сборках. Подход основан на сравнении данных о пространственной структуре рентгеновской эмиссии плазмы на внешней границе проволочной сборки вблизи ее начального радиуса, полученной из двумерных рентгеновских кадровых изображений, с данными о пространственном распределении магнитного поля в этой же области. Сопоставление пространственного размера областей светимости плазмы с характерным размером неоднородности магнитного поля поз-
воляет судить о развитии МГД-неустойчивостей на внешней границе плазмы вблизи начального радиуса сборки.
Цель работы состояла в изучении особенностей формирования прорывов магнитного потока на финальной стадии плазмообразования проволочных сборок из различных металлов. Для этого проводилось:
- исследование аксиального распределения индукции азимутального магнитного поля Вф(г) на различных стадиях имплозии проволочной сборки;
- определение из распределений Вф(г) уровня неоднородности индукции азимутального магнитного поля, момента ее возникновения и пространственного размера;
- сравнение пространственного размера аксиальной неоднородности проникновения азимутального магнитного потока внутрь проволочной сборки с данными двумерной регистрации рентгеновских изображений плазмы;
- обсуждение новых эксп
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.