Вихревое удержание

Конфигурация магнитного поля в аксиально-симметричном пробкотроне не является благоприятной для МГД-устойчивого удержания плазмы. В ранних экспериментах на установке ГДЛ магнитогидродинамическая устойчивость достигалась при помощи связанных с пробкотроном дополнительных плазменных секций, обладающих благоприятной геометрией магнитного поля. Плотность истекающей плазмы в запробочной области (расширителе) газодинамической ловушки достаточно велика, что позволяет использовать расширители в качестве в качестве плазменных секций, стабилизирующих МГД-неустойчивости [1]. Для формирования благоприятной в смысле МГД-устойчивости конфигурации магнитного поля в расширителе использовались специальные катушки, охватывающие торцевые баки и создающие магнитное поле с направлением, обратным направлению поля в пробкотроне. Кроме расширителей, в качестве МГД-стабилизатора на установке ГДЛ также использовалась дополнительная ячейка с конфигурацией антипробкотрона, присоединенная к одному из торцов установки [2].

После существенной модернизации установки параметры плазмы в центральном соленоиде, где кривизна силовых линий магнитного поля неблагоприятна для устойчивости, достигли таких величин (температура электронов плазмы Te = 250 эВ, плотность плазмы 5*1013 см-3, относительное давление в точках остановки β = 0,6), что стабилизирующего действия дополнительных магнитных ячеек недостаточно. Поэтому в ГДЛ был применен метод дифференциального вращения плазмы, экспериментально описанный в [3] и обоснованный теоретически в [4].

Механизм получил название «вихревого удержания» и был реализован путем подачи потенциала на радиальные электроды – лимитеры, – расположенные вблизи пробочных узлов установки (Рис.1).

vortex

Рис. 1. Схема реализации вихревого удержания

Подаваемое на лимитеры напряжение обеспечивает вращение внешних слоев плазмы относительно внутренних в скрещенных ExB полях. Вихревое удержание не подавляет МГД-неустойчивость, но позволяет модифицировать ее таким образом, что линии потока на периферии становятся замкнутыми и плазма удерживается внутри образовавшегося вихря (рис.2).

vortex2

Рис. 2. Замкнутые линии потока при реализации механизма «вихревого удержания»

Таким образом при помощи вихревого удержания поперечные потери в ГДЛ ограничиваются на уровне 10-15% от продольных потерь [5].

Если сделать простую оценку мощности, затрачиваемой на такую стабилизацию, считая, что вся затрачиваемая в системе мощность расходуется на нагрев плазмы, а потери – только продольные, оказывается, что эти затраты составляют единицы процентов от полной мощности нагрева системы. Такая оценка позволяет предварительно заключить, что метод вихревого удержания может быть применен в термоядерных установках класса нейтронного источника на основе газодинамической ловушки.

  1. Ivanov A.A., Bagryansky P.A., Anikeev A.V. et al. of Plasmas, 1994. V.1. PP.1529-1535.
  2. Anikeev A.V.,Bagryansky P.A., Deichuli P.P. et al. of Plasmas, 1997. V.4(2). PP.347-354.
  3. Е.И.Солдаткина, П.А.Багрянский, А.Л.Соломахин, Физика Плазмы, 34, №4, 2008, стр.291-296.
  4. D.Beklemishev, P.A.Bagryansky, M.S.Chaschin, E.I. Soldatkina, Fusion Science and Technology, 2010, V.57 (4), 2010, PP. 351-360.
  5. A. Bagryansky, A.D. Beklemishev & E.I. Soldatkina, Fusion Science and Technology, 2007, 51:2T, 340-342.