Особенности энергобаланса

Ключевым с точки зрения приложений параметром потенциального термоядерного реактора на основе открытой магнитной ловушки является его энергетическая эффективность, поэтому изучение возможных каналов потерь энергии из системы критически важно для обоснования проекта такого реактора. Исследования по теме ранее проводились на установке ГДЛ в конфигурации с длительностью атомарной инжекции 1 мс. Современная установка ГДЛ оснащена инжекторами длительностью 5 мс, сценарий создания и поддержания разряда также претерпел изменения, полученные параметры приблизились к термоядерным величинам, поэтому задача изучения энергобаланса по-прежнему актуальна.

Для сведения энергобаланса в ловушке необходимо измерять величины энергии, поступающей в плазму и теряемой из плазмы по различным каналам. Инжекторы нейтральных атомов являются основным источником энергии, поступающей в плазму, и выдают мощность 5 МВт, примерно половина из которой захватывается плазмой в типичных сценариях эксперимента. Эти величины вычисляются по данным вторично-эмиссионных датчиков, расположенных на приемниках пучков, а также проволочных калориметров, которыми снабжен каждый инжектор. Таким образом, при длительности инжекции в 5 мс захваченная плазмой энергия составляет порядка 12 кДж. В качестве возможных каналов потерь энергии были рассмотрены:

• продольные потери на приемник плазмы за пробкой ловушки,
• потери на радиальные лимитеры, ограничивающие размер плазмы и имеющие прямой контакт с ней,
• потери на резонансную перезарядку ионов плазмы на остаточном газе, а также на излучение.

Потери энергии из плазмы вдоль магнитного поля через пробки являются неотъемлемым каналом потерь для любой открытой ловушки, для их измерения штатно используется система пироэлектрических болометров на основе кристаллов ниобата лития, которые расположенных на одном из приемников плазмы в расширителе установки. Эта система позволяет измерять временной ход потока мощности на плазмоприемник и его радиальные профили по четырем радиусам.

Радиальные лимитеры напрямую контактируют с плазмой и принимают на себя часть ее энергии, для измерения величины которой используются датчики-калориметры, измеряющие скачок температуры в рабочем импульсе установки.

Для измерения величины потерь, обусловленных резонансной перезарядкой ионов плазмы на остаточном газе, используется линейка пироэлектрических болометров, конструкция которых идентична конструкции датчиков на приемнике плазмы, расположенная на внутренней стенке вакуумной камеры вдоль ее оси. В 2024 году линейка с болометрами была увеличена и в данный момент состоит из 23 датчиков, перекрывающих всю область движения горячих ионов в обе стороны установки (Рис. 1). Болометры чувствительны как к потокам частиц, так и к излучению, поэтому измеряют сумму этих величин, что удовлетворяет задаче энергобаланса.

Также в балансе энергии необходимо учитывать энергосодержание быстрых ионов W_fast, которое оценивалось по данным диамагнитной петли, установленной в центральной плоскости ГДЛ с помощью численного кода DOL, основанном на динамике кулоновского рассеяния и позволяющем рассчитать энергосодержание быстрых ионов как функцию времени. Скорость изменения энергосодержания быстрых ионов dW_fast/dt принималась за производную W_fast по времени.

Рис. 1. Общий вид установки ГДЛ с диагностическими зондами

Используя описанные диагностики, возможно оценить мгновенный энергобаланс плазмы в различных режимах ее удержания.

Рисунок 2 (а) демонстрирует динамику мощности в типичном разряде ГДЛ. Потери мощности на радиальных лимитерах здесь не учитывались, так как калориметры способны измерять только интегральные значения. Цветные линии обозначают указанные мощности согласно легенде графика, а черная линия обозначает суммарную мощность трех компонент PΣ = P_axial + P_wall + dW_fast/dt. Отметим, что мощность продольных потерь P_axial получена удвоением мощности, регистрируемой на западном приемнике плазмы, так как восточный приемник ГДЛ не оснащен соответствующей измерительной системой.

Рис. 2. Мгновенный баланс мощности в ГДЛ. (а) Измеренные в эксперименте потоки мощности (б) Мощности каждого компонента в процентах от захваченной мощности в течение интервала работы атомарных инжекторов

Особый интерес в мгновенном балансе мощностей представляет временной интервал от 4 до 7,4 мс, когда работают инжекторы нейтрального пучка. Мощности каждой компоненты в процентах от захваченной мощности в течение этого интервала представлены на рисунке 2 (б). Из рисунка видно, что мощность нейтральных пучков, которая переходит в энергосодержание быстрых ионов dW_fast/dt, достигает максимума ∼25% вскоре после начала работы инжекторов и уменьшается примерно до 10% к концу инжекции. Продольные потери P_axial начинаются со значения около 10% и постепенно растут до ∼50%. Потери на резонансную перезарядку и излучение остаются примерно постоянными на уровне ∼35% на протяжении всей инжекции. Общая суммарная мощность измеренных потерь достигает к концу импульса P_Σ ∼90% от захваченной мощности.