Исследование горячей плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3 спектроскопическими методами

• Многопробочная ловушка ГОЛ-3.

Открытые ловушки (линейные пробочные системы) для удержания плазмы были предложены и развивались как установки для получения фундаментальных знаний по физике плазмы, так и в качестве кандидатов для термоядерных приложений (см. [1−3]). В настоящее время исследования по открытым ловушкам ведутся в нескольких лабораториях мира [4−9, 67]. Одна из таких систем является многопробочная открытая ловушка, в которой для увеличения времени жизни плазмы магнитное поле имеет конфигурацию гофрированного соленоида [I]. В схеме много пробочного удержания длина свободного пробега ионов должна быть существенно меньше полной длины системы, поэтому для достижения реакторных параметров при разумных размерах установки плазма должна иметь плотность -1017 см" 3 (см., напр., [10]) и, соответственно, величину Р больше 1.

Идея многопробочного удержания горячей плазмы, предложенная Г. И. Будкером, В. В. Мирновым и Д. Д. Рютовым, основывается на следующих соображениях. Рассмотрим плазму в прямой трубе с продольным магнитным полем. Если плазма приготовлена в ней без контакта с торцами, время ее остывания определяется скоростью газодинамического расширения и может быть оценено как ~L/vTi, где vj. — тепловая скорость ионов, L — длина установки. Так для положительного.

18 3 энергетического выхода при 7/~ 10 кэВ и п~ 10 см" длина установки должна быть масштаба 200 м.

Для уменьшения длины системы авторами предложено профилирование магнитного поля (см. Рис. 1) с периодом гофрировки /, много меньшим длины Ч.

У.

V.

Рис. 1 Силовые линии гофрированного магнитного поля. свободного пробега заряженных частиц Я «L. При этом система превращается в последовательность пробкотронов, в которых плазма состоит из захваченных и пролетных частиц. При I «X запертые частицы совершают множество колебаний в пробкотроне между столкновениями, так что перенос вещества и энергии происходит только за счет пролетных частиц, которые испытывают трение о захваченные частицы, передающие, в свою очередь, импульс магнитному полю. Организованное таким путем «трение» плазмы о магнитное поле можно оценить следующим образом. Сила трения иона может быть оценена как.

Fmp~mfViru, где V,-, — - частота ионных столкновений, awскорость направленного движения пролетных ионов, близкая к макроскопической скорости движения плазмы vj. при небольших значениях пробочного отношения к — 1 = Нтя JНтл- 1 ~ 1. Из условия равенства силы трения tt’FTp и градиента давления плазмы дпТ/ dz ~ пТ/ L определяется скорость расширения плазмы u~vTXlL «vT (.

И, следовательно, время удержания увеличивается:

-'¦I.

Поэтому даже умеренная гофрировка приводит к заметному уменьшению скорости разлета плазмы и увеличению времени остывания плазмы. Расширение плазмы приобретает диффузионный характер. Подавление же электронной теплопроводности на торцы, которое и без того носит диффузионный характер, становится возможным лишь при сильной гофрировке, к «1, когда эффективная длина свободного пробега электронов X / к становится достаточно малой и:

Подробный вывод разлета плазмы в такой конфигурации магнитного поля приведен в работе [13].

Термоядерный реактор на основе открытой многопробочной ловушки рассматривается в качестве одного из альтернативных подходов к решению проблемы управляемого синтеза. В России работы по изучению нагрева и удержания плазмы в открытых системах сосредоточены в ИЯФ СО РАН [11, 67, 68], за рубежом работы представлены в [12].

В настоящее время в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера ведутся эксперименты по нагреву и удержанию плазмы в открытой многопробочной ловушке ГОЛ-3 (фото установки Рис. 2). Экспериментальный режим установки ГОЛ-3 подбирался таким образом, чтобы выполнялось условие продольного удержания плазмы в гофрированном магнитном поле, а именно, плотность плазмы должна.

I с составлять (1−3)-10 см", при этом, температура должна быть порядка 1 кэВ.

Работы на установке ГОЛ-3 проводятся в основном с целью изучения физики получения и удержания плотной горячей плазмы в многопробочной магнитной системе [14]. Схема эксперимента приведена на Рис. 3. Водородная или дейтериевая плазма, имеющая плотность от 1014 до 1016 см" 3, создается при помощи специального прямого разряда в продольном магнитном поле. Длина плазменного столба -12 м, средний диаметр плазмы — 6 см. Магнитное поле создается соленоидом, магнитная индукция в максимуме равна 4.8 Тл, в минимуме — 3.2 Тл, поле в концевых пробках — 9 Тл. Длина ячеек составляет 22 см. Для нагрева плазмы в нее инжектируется релятивистский.

Рис. 2 Многопробочная ловушка ГОЛ-3. генератор пучка У-2 плазма магнитное поле соленоид выходной узел.

8 g II «8 g И В t «8 1 И» 1 В 8.

— JMM и «и «» «¦ •».

ГШ.

-" «I ilKittSSKSSlSSSit!8 ®.

Рис. 3 Схема установки ГОЛ-3 с полной гофрировкой магнитного поля. электронный пучок (энергия ~1 МэВ, ток —30 кА, длительность ~7 мкс, энергосодержание за импульс — 120-И50 кДж, [73]).

Кратко рассмотрим физику пучкового нагрева плазмы применительно к условиям эксперимента (по работам [14, 17−21]). В результате коллективного взаимодействия пучка с плазмой в ней возбуждаются резонансные с пучком ленгмюровские колебания, которым пучок передает часть своей энергии. Затем в результате нелинейной релаксации этих колебаний происходит нагрев электронов плазмы. Экспериментально показано, что пучок может терять до 30-^-40% своей энергии при прохождении через плазменный столб длиной 12 м (см. [17]). При этом во время инжекции пучка.

IS 1 электронная температура плазмы растет и при плотности 10 см" может достигать 2 кэВ. Ионная температура в однородной конфигурации удерживающего магнитного поля остается невысокой из-за короткого времени существования горячей плазмы.

Нагрев плазмы мощным релятивистским электронным пучком происходит за счет коллективных процессов. И основным процессом, в результате которого пучок теряет свою энергию, является возбуждение ленгмюровских колебаний с инкрементом в кинетическом режиме, [15, 16]:

Т = а, в^—Lр пр Г-Ав2 где пр — плотность плазмы, П/, — плотность электронного пучка, ыр — плазменная частота, Д02 — угловой разброс электронов пучка, у — релятивистский фактор. Особенностью нагрева, как видно, является следующее. Эффективность нагрева электронов плазмы имеет сильную зависимость от соотношений плотностей пучка и плазмы, при этом, чем больше это отношение, тем эффективнее нагрев. Экспериментально показано [17, 18], что потери энергии пучка в плазме достигают величины 25% при плотности плазмы 5−1014 см" 3 при плотности тока пучка 1−2 кА/см2 с энергией электронов 0.8−0.9 МэВ. В оптимальных условиях коллективного взаимодействия пучка с плазмой и нагрева электронов плазмы их эффективная частота столкновений в 100−1000 раз превышает классическое значение, что приводит, в частности, к подавлению продольной электронной теплопроводности (см. например [19]). Однако большая часть переданной энергии содержится в быстрых электронах и только масштаба 5% энергии пучка передается тепловым (максвелловским) электронам плазмы.

Итак, при увеличении плотности плазмы эффективность релаксации пучка уменьшается, достигаемая электронная температура становится меньше. В то же время для реализации режима многопробочного удержания нужна высокотемпературная плазма с плотностью ~1017 см" 3. Такая плотность является слишком высокой для эффективной релаксации пучка за счет коллективных эффектов. Для достижения высокой температуры плотной плазмы на установке ГОЛ-3 впервые был реализован т.н. метод двухступенчатого нагрева плотной плазмы [20]. Суть метода состоит в том, что в длинном столбе основной плазмы с плотностью ~1015 см" 3 создается короткий плазменный сгусток с плотностью 1017−1018 см" 3. Основная плазма нагревается за счет релаксации электронного пучка, затем происходит выравнивание температур основной плазмы и сгустка за счет парных столкновений.

Эксперименты по этой схеме проводились с использованием импульсного напуска газа для формирования требуемого профиля плотности по длине установки. Получено увеличение давления плазмы до 3-х раз по сравнению с давлением однородной плазмы с оптимальной для релаксации пучка плотностью. Ионная температура в плотных сгустках близка к электронной (измерена ионная температура до 150 эВ при плотности выше 5−1015 см" 3 [21]). Дальнейшее увеличение температуры сгустка плотной плазмы ограничивается продольной теплопроводностью и быстрым продольным расширением плотного сгустка. Однако проведенные эксперименты показали работоспособность схемы двухступенчатого нагрева плотной плазмы.

Недавно, установка ГОЛ-3 была переведена в режим с полной гофрировкой магнитного поля в 12-метровом соленоиде. Основной целью такой модернизации установки явилось создание условий для проведения исследований по определению перспективности многопробочной ловушки для решения проблем управляемого термоядерного синтеза.

Как уже показывалось выше, в гофрированном магнитном поле появляются новые обстоятельства. Во-первых, это сила трения между пролетными и запертыми ионами, приводящая к торможению разлета плазмы как целого, и, во-вторых, зависимость эффективности взаимодействия пучка с плазмой от магнитного поля.

Эти дополнительные условия могут приводить к тому, что свободный разлет плазмы с ионно-звуковой скоростью в однородном магнитном поле сменяется разлетом с торможением потока и, соответственно, с перекачкой энергии горячих электронов в ионы за счет трения.

Экспериментальный режим установки ГОЛ-3 должен быть такой, чтобы выполнялось условие продольного удержания плазмы, а именно, плотность плазмы должна составлять (1−3) 1015 см" 3 при температуре ионов и электронов порядка 1 кэВ.

• Исследование плазмы спектральными методами.

Наличие мощного электронного пучка, греющего плазму и действующего на любую поверхность разрушительно, накладывает очень жесткие условия на диагностическую аппаратуру определяющую параметры плазмы. Более того, из-за необходимости создания предварительного разряда (в результате которого, по плазме течет очень большой ток 1+6 кА) перед инжекцией электронного пучка для устойчивой его транспортировки [22], диагностика не должна иметь непосредственного контакта с плазмой. Одной из таких диагностик, позволяющей измерять практически все параметры плазмы является спектроскопическая диагностика. Из анализа спектра оптического излучения плазмы может быть получена важная информация о параметрах и динамике плазмы. Измерения спектра свечения плазмы позволяют определить электронную температуру плазмы [23−26], электронную плотность [27, 28], состав и динамику примесей [29 (с. 51)], мощность радиационных потерь энергии в заданном интервале. Регистрация структуры и контуров спектральных линий позволяет, кроме того, получать информацию об электронной плотности [30−33, 56], ионной температуре [29 (с. 33), 34, 35], величине магнитных [36, 37] и электрических полей [30, 31, 38, 85, 86] в плазме. Ведущие плазменные установки успешно используют различные спектроскопические диагностики в видимой и ультрафиолетовой области для определения этих параметров (см. например [39] - HANBIT, [40] - GAMMA 10, [41] -ГДЛ, [42, 43] - JET, [44] - TJ-II, [45] - Tore-Supra, [46] - TEXTOR, [47] - ИТЕР, [70, 76, 81] -ГОЛ-3, и др.).

Любые диагностики могут быть разделены на два класса, это — пассивные и активные диагностики. Каждый класс имеет свои как положительные, так и отрицательные стороны. Так, например, для определения величины магнитного поля можно использовать активную MSE (Motion Stark Effect) спектроскопию, или пассивную — по определению Зеемановского расщепления линий атомов находящихся в плазме. В связи с тем, что MSE диагностика использует в своей составляющей диагностический инжектор, она способна (в отличие от пассивной регистрации света из плазмы) измерять параметры центральной горячей части плазмы, и, что не маловажно, она выигрывает в минимально определяемой величине магнитного поля (Втш может достигать величины нескольких сотен эрстед в зависимости от энергии диагностического пучка, [48]). Однако эта диагностика может быть применена не на всех типах плазменных установок, а только тех, для которых диагностический атомарный пучок может проникнуть в центр горячей плазмы, т. е.: ei, ex ^ где Xeit ^ — длина свободного пробега атома относительно ионизации или перезарядки,.

D — характерный размер плазмы (Так для плазмы на установке ГОЛ-3 с nej= 1015 см" 3,.

Те ~10−100 эВ для Xei^ex* D ~ 10 см энергия атомов водорода в диагностическом пучке должна быть не меньше 100 кэВ при эквивалентной плотности тока пучка больше 104 А/м2, связано с чувствительностью и временным разрешением ~1 мкс регистрирующей спектральной системы на установке ГОЛ-3). Такая диагностика более сложна и дорогостояща по сравнению с пассивной диагностикой, измеряющей расщепление спектральных линий атомов или ионов, и без того существующих в плазме.

В свою очередь, регистрация собственного излучения высокотемпературной плазмы и измерение расщепления (уширения) спектральных линий приводит к тому, что необходимо использовать очень чувствительную высокоразрешающую спектральную систему. Кроме того, при обработке результатов измерения, в этом случае, необходимо закладывать некоторые предположения о характере уширения измеряемой линии, что вносит достаточно большую неопределенность в измерение параметров, отвечающих за уширение спектральной линии.

Взвесив все положительные и отрицательные стороны, и принимая во внимание, что пассивная спектральная диагностика существенно дешевле, на установке ГОЛ-3 было решено создать комплекс из пассивных спектральных диагностик. В следующей главе описан комплекс спектральных диагностик видимого диапазона, используемый для определения параметров плазмы на установке ГОЛ-3. Описание комплекса и некоторые результаты, полученные с его помощью, представлены в работах [49, 50, 60,.

61, 63−66, 68, 69, 71, 74, 88−93]. Комплекс состоит из обзорного спектрометра с пространственным разрешением, позволяющим измерять распределение излучения выбранных линий по радиусу в абсолютных величинах, спектрометра с умеренным разрешением и спектрометра с высоким разрешением, позволяющим прописывать с высокой точностью профиль выбранной спектральной линиивсе спектрометры имеют временное разрешение ~1 мкс.

Исходя из вышеизложенного, диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, в котором перечислены основные результаты работы.

Заключение

.

1. Создан комплекс спектроскопических диагностик для многопробочной ловушки ГОЛ-3.

2. Проведено исследование периферийной плазмы спектроскопическими методами.

— Измерена эволюция плотности электронов по штарковскому уширению линий На, Da, Щ, Dp (в диапазоне 2−1014−1016 см" 3) — Определена температура ионов периферийной плазмы по уширению линии иона кремния Si II (-100 эВ).

3. Измерена величина магнитного поля по расщеплению спектральных линий (Н, Li, Si, Na, Ne). Определено 0 ~ 15% в ячейке многопробочной ловушки.

4. Измерена ионная температура плотной (2−1014−1015 см") плазмы в гофрированной ловушке по анализу профиля линии Da. Величина температуры превышает 1 кэВ.

5. Обнаружен эффект быстрого нагрева ионов при коллективной релаксации мощного электронного пучка в плазме, находящейся в гофрированном магнитном поле.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю работы А. В. Бурдакову за постоянное сотрудничество.

Автор благодарен А. В. Аржанникову, С. Л. Синицкому, В. Г. Иваненко за участие в проведении экспериментов на установке ГОЛ-3. Автор благодарит своих коллег по экспериментам на ГОЛ-3 — В. Т. Астрелина, К. И. Меклера, П. И Мельникова,.

B.В. Поступаева, С. В. Полосаткина, А. Ф. Ровенских, Ю. С. Суляева, А. А. Шошина, Э. Р. Зубаирова за плодотворное сотрудничество и помощь. Автор признателен.

C.С. Гарифову, В. В. Конюхову, А. Г. Макарову, B.C. Николаеву за сотрудничество, Е. В. Мостипанову, А. П. Муллину, В. А. Расторопову, А. В. Кутовенко за их работу на установке.