Лаборатория 9-1

Основными направлениями деятельности лаборатории 9-1 являются:  

  • проведение фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований в области физики плазмы,
  • разработка и развитие проекта газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ)

Результаты экспериментов на ЭЦР нагреву

В 2014 году на ГДЛ была проведена серия успешных экспериментов по электронно-циклотронному резонансному (ЭЦР) нагреву плазмы. Цель эксперимента заключалась в отработке сценария комбинированного нагрева плазмы нейтральными пучками (НИ) мощностью 5 МВт и ЭЦР нагрева мощностью до 0.7 МВт, исследовании физических механизмов наблюдающейся при таком нагреве магнитогидродинамической неустойчивости плазмы и поиске способов ее подавления.


Система ЭЦР нагрева на установке ГДЛ состоит из двух импульсных гиротронов с частотой 54,5 ГГц и измеренной на входе в плазму мощностью 300 и 400 кВт. Каждый из гиротронов запитан от специально разработанных высоковольтных источников питания, формирующих прямоугольный импульс высоковольтного напряжения амплитудой 70 кВ (при стабильности не хуже 0,5%), током до 25 А, длительностью до 3 мс. Излучение гиротронов подводится по отдельным закрытым квазиоптическим линиям и вводится в вакуумную камеру в окрестности двух магнитных пробок как показано на рис. 1.

ECRH res 1

Рис. 1. Схема ЭЦР нагрева плазмы в ГДЛ.

Для создания оптимальных условий для ЭЦР нагрева требуется повышение магнитного поля в отдельных катушках, расположенных вокруг области поглощения. Дополнительный ток, необходимый для реализации эффективного поглощения на противоположных концах ловушки, был получен за счет снижения магнитного поля в основном теле ловушки (с 0,35 до 0,27 Т в центре установки). Такое возмущение магнитной конфигурации привело к существенному ухудшению удержания плазмы, в частности без ЭЦР нагрева температура электронов снизилась с 250 эВ до 150 эВ.

В такой магнитной конфигурации было оптимизированы два сценария ЭЦР нагрева. Первый сценарий оптимизировался для повышения времени жизни горячих ионов, получающихся при захвате плазмой нагревных нейтральных пучков. Этот режим характеризовался поглощением излучения гиротронов почти по всему сечению плазмы. Что приводило к увеличению температуры электронов во всём объёме плазмы.

ECRH res 2

Рис. 2. Увеличение нейтронного потока при ЭЦР нагреве плазмы в ГДЛ.

Так как время жизни горячих ионов пропорционально температуре электронов в степени 3/2, при ЭЦР нагреве значительно возрастало энергосодержание плазмы и поток нейтронов D-D синтеза, получающихся при столкновениях между горячими ионами (рис. 2). Стабильный разряд в этом режиме удалось получить при мощности ЭЦР нагрева не превышающей 400 кВт. Электронная температура на оси ГДЛ достигала 200 эВ.

ECRH res 3

Рис. 3. Спектр томсоновского рассеяния лазерного излучения электронами плазмы на оси ГДЛ, усредненный по серии выстрелов. В правом верхнем углу один из рекордных выстрелов.

Второй сценарий оптимизировался для получения максимальной электронной температуры. В этом режиме основная часть СВЧ мощности, захваченной плазмой, поглощалась в узкой приосевой области. Поэтому при включении гиротронов за несколько сотен микросекунд формировался разряд с центральной температурой от 600 эВ до 1 кэВ (рис. 3). Несмотря на то, что радиальный профиль температуры был сильно пикированным, баланс энергии показал, что удержание плазмы в приосевой зоне происходит в газодинамическом режиме, радиальный транспорт и классическая продольная (спитцеровская) электронная теплопроводность при этом сильно подавлены. Измерения методом томсоновского рассеяния показали, что энергия перераспределяется между тепловыми электронами, то есть речь идет именно об электронной температуре, а не об энергии, запасенной в «хвосте» энергичных электронов. В ходе этих экспериментов на установке ГДЛ была достигнута рекордная для открытых систем электронная температура в квазистационарном (~ 1 мс) разряде, при этом впервые параметры плазмы приблизились к значениям, сопоставимым с тороидальными системами.

ECRH res 4

Рис. 4. Эволюция электронной температуры плазмы в эксперименте на ГДЛ.

Это обстоятельство позволило нам сделать вывод о хороших перспективах для термоядерных приложений на базе открытых ловушек. Для сравнения на рис. 4. приведен график, отражающий прогресс увеличения электронной температуры в экспериментах на установке ГДЛ за 25 лет существования установки.

Резкое и значительное увеличение электронной температуры при включении ЭЦР нагрева приводит к развитию МГД неустойчивости плазмы желобкового типа. Для подавления этой неустойчивости в стандартном разряде ГДЛ (без ЭЦР нагрева) используется метод «вихревого удержания». Он заключается в том, что к периферии плазмы прикладывается постоянный электрический потенциал, заставляющий её вращаться в скрещенных электрическом и магнитном полях. Для эффективного подавления поперечных потерь при развитии желобковой неустойчивости прикладываемый радиальный потенциал должен быть сопоставим с температурой электронов. При сильном увеличении температуры плазмы при ЭЦР нагреве это условие может нарушаться. Для решения этой проблемы был применён метод ступенчатого повышения радиального потенциала, отслеживающий увеличение температуры при включении ЭЦР нагрева. В результате удалось реализовать относительно устойчивый ЭЦР нагрев плазмы мощностью 700 кВт в течение времени, сопоставимого с полной длительностью разряда в установке.

Демонстрация разряда с рекордно высокой электронной температурой стала возможной за счет выработки оптимальных сценариев ЭЦ нагрева плазмы необыкновенной волной на первой гармонике в основном объеме ловушки. Этот результат дает надежную основу для создания реакторов ядерного синтеза на базе открытых ловушек, имеющих простейшую с инженерной точки зрения осесимметричную конфигурацию магнитного поля. Ближайшим приложением таких реакторов может быть мощный источник нейтронов от реакции синтеза ядер дейтерия и трития, который необходим для решения ряда задач термоядерного материаловедения, а также управления подкритичными ядерными реакторами, включая устройства для уничтожения радиоактивных отходов.

Изучение АИЦ неустойчивости

В 2014 году на ГДЛ изучалось развитие кинетической альфвеновской ионно-циклотронной (АИЦ) неустойчивости плазмы и её влияние на потери горячих ионов из плазмы. Главным выводом из анализа предсказаний теоретической модели, описывающей взаимодействие ионов с альфеновской волной, является утверждение, что в условиях ГДЛ активно взаимодействует с волной только небольшая доля горячих ионов, находящаяся в узкой области фазового пространства вблизи точки, соответствующей угловому разбросу и скорости захваченных ионов нейтральных пучков. Это дает благоприятное для магнитных ловушек открытого типа предсказание относительно влияния данной микронеустойчивости на удержание горячих ионов, поскольку область активного взаимодействия частиц с волной оказывается достаточно далеко в фазовом пространстве от границы конуса потерь. Ожидалось, что альфвеновская ионно-циклотронная неустойчивость в ГДЛ и системах термоядерного класса на её основе не должна вызвать существенного увеличения потерь горячих ионов. Для экспериментальной проверки этих выводов теории был проведён ряд экспериментов на ГДЛ. В качестве основной диагностики использовался пятиканальный магнитный энергоанализатор, расположенный в расширителе. С его помощью был измерен энергетический спектр ионов, покидающих центральную ячейку ГДЛ вдоль силовых линий магнитного поля, в широком диапазоне энергий, проанализированы временные зависимости абсолютных значений мощности, выносимой в пробку и средней энергии частиц, покидающих установку

AIC res 1


Рис. 1. Функция распределения ионов покидающих плазму вдоль силовых линий магнитного поля.

На рис.4.1.5 представлены результаты измерения энергетического распределения ионов во время развития АИЦ и без неё в диапазоне энергий от 2,5 кэВ до 25 кэВ. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что во время развития АИЦ наблюдается увеличения ширины пика плотности горячих ионов в области остановки (уменьшается степень анизотропии) и увеличиваются потери частиц вдоль силовых линий магнитного поля на энергиях вблизи 7-10 кэВ, что заметно меньше энергии инжектируемых дейтронов 25 кэВ. Мощность потерь при развитии неустойчивости, отнесённая к захватываемой плазмой мощности при нагреве атомарной инжекций ~2 МВт составляет менее 0.5%. Данный экспериментальный факт подтверждает выводы теории о несущественном влиянии развития АИЦ на продольные потери горячих ионов в эксперименте на установке ГДЛ.


Изучение глобальных акустических мод

Ещё один важный результат 2014 года был получен при изучении развития глобальных акустических мод с помощью системы низкочастотных магнитных зондов. В режиме с ЭЦР нагревом при разложении сигналов с магнитных датчиков в спектр были обнаружены колебания на частоте порядка 90-100 кГц с азимутальной модой m=0 (рис. 4.1.6). Из анализа фаз сигналов с датчиков линейной сборки была установлена продольная структура колебаний - наблюдались колебания с продольной модой N=1. Азимутальная и продольная структура колебаний, а также частота колебаний повторяют картину, наблюдавшуюся в режиме без ЭЦР нагрева.
Отличительной чертой зарегистрированных колебаний в режиме с ЭЦР нагревом является их амплитуда. Она превышает максимальную амплитуду соответствующих колебаний в режиме без ЭЦР нагрева в 2-3 раза в месте расположения линейной сборки магнитных зондов. Амплитуда колебаний относительного давления плазмы в точке остановки быстрых ионов составляет порядка 1-2 процентов от его полной величины. Также в режиме с ЭЦР нагревом изменился характер затухания колебаний. Без ЭЦР нагрева резкий рост амплитуды до максимальных значений наблюдается в моменты возбуждения АИЦ неустойчивости. Амплитуда возвращается к прежнему уровню через 4-5 периодов после её резкого роста. С другой стороны, в режиме с ЭЦР нагревом колебания сохраняют значительную амплитуду вплоть до начала стадии распада плазмы и даже через 0,5 мс после выключения гиротронов. Несмотря на развитие глобальной акустической моды значительной амплитуды, не происходит ухудшение удержания плазмы в ГДЛ, по крайней мере, исходя из энергосодержания плазмы и интегрального выхода нейтронов.

AIC res 2

 


Рис. 2. Развитие глобальной акустической моды: a) сигнал с магнитного зонда; б) спектр сигнала с магнитного зонда; в) энергосодержание плазмы.