Принцип работы пробкотрона

 

Установка ГДЛ, созданная в Новосибирском институте ядерной физики в 1986 году, относится к классу открытых ловушек и служит для удержания плазмы в магнитном поле.

Конфигурация магнитного поля в классической открытой аксиально-симметричной ловушке представляет собой вытянутую область однородного магнитного поля с максимумами на краях, достигаемыми при помощи кольцевых катушек сильного магнитного поля. Области под этими катушками (те области пространства, занятого магнитным полем, где оно достигает максимального значения) принято называть магнитными пробками, а ловушку, устроенную по такому принципу – пробкотроном. В простейшем случае магнитное поле в пробкотроне создается только магнитными пробками. На рис. 1 изображен профиль магнитного поля на оси пробкотрона в этом случае.

Рис. 1. Конфигурация магнитного поля в пробкотроне, используемом для удержания плазмы: а – схема расположения катушек и конфигурация магнитного поля, показана часть траектории захваченной частицы; б – изменение магнитного поля вдоль оси пробкотрона

Заряженные частицы плазмы (отрицательные электроны и положительные ионы) движутся по силовым линиям магнитного поля между магнитными пробками, отражаясь от них, и совершая таким образом колебательные движения. Частицы, имеющие кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера пробки, покидают ловушку за один пролет.

 

 

Газодинамическая ловушка

 

Концепция газодинамической ловушки (ГДЛ) родилась благодаря попытке значительно упростить физику удержания плазмы в классическом пробкотроне Будкера-Поста [2]. В отличие от пробкотрона, где удержание бесстолкновительных частиц плазмы обусловлено законами сохранения энергии и магнитного момента, ГДЛ предназначена для удержания столкновительной плазмы с изотропным в пространстве скоростей максвелловским распределением частиц. Условие столкновительности выражается в том, что длина свободного пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь не превышает длину системы:

L >> l_ii  (lnR / R)

где l_ii- длина свободного пробега ионов относительно рассеяние на угол порядка единицы, L - длина ловушки, R - пробочное отношение, которое в ГДЛ предполагается большим (R>>1). В этих условиях механизм удержания частиц плазмы предельно прост и аналогичен удержанию бесстолкновительного газа в сосуде с малым отверстием.

Время удержания плазмы в такой ловушке можно определить при помощи простой газодинамической оценки:

t ~ L (R / V_i)

где V_i - средняя тепловая скорость ионов, что и оправдывает название системы.

Важнейшим достоинством газодинамической ловушки является простая и надежная физика продольного удержания плазмы, продольные потери частиц в ГДЛ практически не зависят от скорости их рассеяния внутри ловушки [3]. Чтобы получить нужное для реакторных приложений время удержания, достаточно увеличить пробочное отношение, насколько это позволительно, и увеличить длину ловушки до нужных размеров. Другим замечательным достоинством газодинамической ловушки является возможность достижения МГД устойчивости плазмы в рамках осесимметричной конфигурации магнитного поля при реализации механизма так называемого "вихревого транспортного барьера" [4].

Важно отметить, что газодинамическая ловушка обладает еще одним очень важным достоинством, характерным для пробкотронов. Согласно результатам теоретического анализа МГД устойчивость в ГДЛ сохраняется при высоких значениях плазменного, бета (ß=8πp₁ / B² - отношение поперечной составляющей давления плазмы к давлению магнитного поля), вплоть до ß = 0.3−0.7

Главный недостаток ГДЛ с точки зрения реакторных приложений есть, как бывает часто, продолжение ее достоинств. При использовании технически достижимых на сегодняшний день способов создания магнитного поля в пробках минимальная длина термоядерного реактора на основе газодинамической ловушки превышает 1 км. Такая длина сегодня кажется слишком большой, однако принципиально не закрывает перспективы развития термоядерных реакторов на основе ГДЛ в будущем. Более того, вероятные прорывы в области технологий создания сверхсильных магнитных полей (к примеру, достижения мегагауссных напряженностей с использованием теплых сверхпроводников) могли бы вывести газодинамическую ловушку в безусловные лидеры с точки зрения перспектив использования в качестве термоядерного реактора.

Тем не менее, более реалистичным на сегодняшний день кажется предложение использовать ГДЛ в качестве нейтронного источника, т. е. термоядерного реактора с низким КПД [5]. Источник нейтронов (ИН) D-T реакции с энергиями близкими к 14 МэВ и плотностью мощности потока (1-4 МВт/м2 сегодня востребован сообществом термоядерных материаловедов, перед которыми стоит одна из сложнейших проблем термоядерных исследований - задача поиска материалов, обладающих адекватной нейтронной стойкостью, для создания первой стенки будущих D-T реакторов. Существуют также предложения использовать нейтронные источники такого типа для дожигания радиоактивных отходов и даже для управления подкритическими реакторами деления.

 

Параметры плазмы в ГДЛ

 

Рис.2: Схема установки ГДЛ, предназначенной для физического моделирования источника нейтронов на основе газодинамической ловушки

Рис.3: 3D модель установки ГДЛ

Схема установки ГДЛ приведена на рис. 2. Главной ее частью является осесимметричный пробкотрон длиной 7 метров, с полем 0.3 Тл в центре и до 13 Тл в пробках, предназначенный для удержания двухкомпонентной плазмы.

 

Одна из компонент – теплая «мишенная» плазма – имеет температуру электронов и ионов до 200 эВ (примерно 2 млн. градусов) и плотность 5 · 1019 частиц в куб. м. Для этой компоненты характерен газодинамический режим удержания, описанный выше. Другая компонента – это быстрые ионы со средней энергией ~ 10 кэВ и плотностью до 5 · 10¹⁹ частиц в куб. м. Эти ионы образуются в результате ионизации в мишенной плазме мощных пучков атомов, наклонно инжектируемых в ловушку с помощью специальных устройств – инжекторов нейтральных атомов. Для этой быстрой компоненты характерен режим удержания как в классическом пробкотроне, т.е. быстрые ионы движутся по магнитным орбитам вдоль силовых линий магнитного поля и отражаются от области сильного магнитного поля. При этом быстрые ионы тормозятся при взаимодействии с частицами мишенной плазмы (в основном с электронами) и нагревают ее до 200 эВ и выше. При наклонной инжекции и малом угловом рассеянии частиц плотность быстрых ионов оказывается сильно пикированной вблизи области отражения, и это обстоятельство является наиболее привлекательным для проекта нейтронного источника. Дело в том, что поток нейтронов в реакции синтеза пропорционален квадрату плотности ионов дейтерия и трития. Поэтому при такой пикировке плотности он будет сосредоточен только в области остановки, где и будет размещаться «тест-зона». Все остальное пространство установки будет испытывать гораздо меньшую нейтронную нагрузку, что позволяет отказаться от дорогостоящей нейтронной защиты всех узлов генератора.

Важной проблемой на пути к созданию реактора или нейтронного источника на основе аксиально-симметричного пробкотрона является стабилизация плазмы поперек магнитного поля. В схеме ГДЛ она достигается с помощью специальных кольцевых лимитеров, охватывающих плазму по периметру вблизи магнитных пробок. При подаче напряжения на эти лимитеры, на периферии плазмы образуется так называемый «вихревой транспортный барьер», препятствующий потере плазмы поперек магнитного поля.

Другой важной проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС) на основе открытых ловушек является термоизоляция плазмы от торцевой стенки. Дело в том, что в открытых ловушках, в отличие от замкнутых систем типа токамак или стелларатор, плазма вытекает из ловушки и попадает на плазмоприемники. При этом холодные электроны, эмитированные под действием потока плазмы с поверхности плазмоприемника, могут проникать обратно в ловушку и сильно охлаждать плазму. В экспериментах по изучению продольного удержания плазмы на установке ГДЛ было экспериментально показано, что расширяющееся магнитное поле за пробкой перед плазмориемником в торцевых баках – расширителях (см. рисунок 2) препятствует проникновению холодных электронов в ловушку и эффективно термоизолирует плазму от торцевой стенки.

Дополнительный нагрев электронов плазмы осуществляется при помощи микроволнового излучения на частоте электронного-циклотронного резонанса (ЭЦР). Для этой цели реализованы два канала инжекции пучков СВЧ излучения, которое производится двумя гиротронами с частотой 54,5 ГГц и суммарной мощностью 0,7 МВт на поверхности плазмы.

Для создания теплой плазмы на начальной стадии разряда был разработан, а также хорошо обоснован экспериментально и теоретически метод генерации предварительной плазмы при помощи микроволнового пробоя газа, изначально инжектированного в ловушку. Разработка этого метода существенно расширила экспериментальные возможности установки ГДЛ, в частности, стало возможным поддерживать абсолютно идентичные условия относительно нейтралов в расширителях в процессе плазменного разряда, что необходимо для изучения физических процессов, связанных с нейтральной компонентой и ее влиянием на продольный транспорт частиц и энергии.

В рамках экспериментальной программы ГДЛ ведется постоянная работа по повышению устойчивости плазмы, уменьшению и подавлению продольных потерь плазмы и энергии из ловушки, исследованию поведения плазмы в различных условиях работы установки, повышению температуры мишенной плазмы и плотности быстрых частиц.
Установка ГДЛ оснащена самыми современными средствами диагностики плазмы. Большинство из них разработано в нашей лаборатории и даже поставляется по контрактам для других плазменных лабораторий, в том числе и зарубежных.

 

 

Литература

1. Мирнов В.В., Рютов Д.Д. Письма в ЖТФ, 1979, т.5,с.678.
2. Post R.F. Nuclear Fusion, v.27, p.1579 (1987).
3. Мирнов В.В., Рютов Д.Д. В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез, М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1980, т.1, с.57.
4. A.D. Beklemishev, P.A. Bagryansky, M.S. Chaschin, El.I. Soldatkina, Vortex Confinement of Plasmas in Symmetric Mirror Traps // Fusion Science and Technology Volume 57 Number 4 May 2010 Pages 351-360
5. Ivanov A.A., Ryutov D.D. Nucl. Sci. and Eng., v.106, p.235 (1990).
6. A. Shalashov, E. Gospodchikov, O. Smolyakova, P. Bagryansky, V. Malygin, M. Thumm. Auxiliary ECR Heating System for the Gas Dynamic Trap. Physics of Plasmas, vol. 19, p. 052503 (2012)
7. D.V. Yakovlev, A.G. Shalashov, E.D. Gospodchikov, A.L. Solomakhin, V.Ya. Savkin and P.A. Bagryansky. Electron cyclotron plasma startup in the GDT experiment. Nucl. Fusion 57 (2017) 016033
8. Иванов А А, Приходько В В "Газодинамическая ловушка: результаты исследований и перспективы" Успехи Физических Наук, том 187, с. 547–574 (2017)

 

конец faq