Удержание двухкомпонентной плазмы с высоким β в газодинамической ловушке

2
Оглавление
Введение 5
1 Установка ГДЛ и результаты ее модернизации 17
1.1 Краткое описание установки и типичного «сценария» эксперимента . 17
1.2 Магнитная система............................................... 20
1.3 Вакуумная система............................................... 21
1.4 Система атомарной инжекции...................................... 23
1.5 Система автоматизации управления и сбора данных................. 25
1.6 Диагностики..................................................... 26
2 Продольное удержание частиц и энергии в газодинамической ловушке 29
2.1 Описание эксперимента и диагностик.............................. 32
2.2 Результаты эксперимента......................................... 38
2.3 Обсуждение результатов.......................................... 45
3 Влияние свойств первой стенки на перенос нейтральных частиц 50
3.1 Вакуумная система (подробное описание) ......................... 51
Первая стенка.................................................... 54
Электродуговые испарители титана................................. 54
Подготовка первой стенки и создание вакуумных условий............ 57
Система контроля вакуумных условий и основные диагностики .... 59
3.2 Код для моделирования динамики нейтрального газа................ 62
3
Краткое описание кода.............................................. 62
Результаты расчетов при помощи кода TUBE........................... 64
3.3 Сравнение результатов измерений и расчетов......................... 66
4 Исследование релаксации и удержания быстрых ионов 74
4.1 Изучение кинетики торможения и углового рассеяния быстрых ионов 74
Описание эксперимента и типичных параметров плазмы................. 75
Диагностики........................................................ 77
Расчеты параметров популяции быстрых ионов......................... 82
Результаты исследований удержания быстрых ионов.................... 84
4.2 Измерения пространственных распределений интенсивности термоядерных реакций при инжекдии дейтериевых пучков........................100
Счетчик продуктов D-D реакции......................................101
Измерения и их результаты .........................................108
5 Энергетический и материальный баланс двухкомпонентной плазмы 112
5.1 Изучение баланса энергии двухкомпонентной плазмы в режимах с высоким значением (3.....................................................114
Методика анализа энергобаланса и использованные диагностики ... 114
Удержание двухкомпонентной плазмы..................................117
5.2 Эксперименты по поддержанию баланса частиц мишенной плазмы . . 128
Опыты с газовой коробкой и периферийной инжекцией газа.............131
Опыты с приосевым поддувом.........................................138
6 МГД - устойчивость двухкомпонентной плазмы высокого давления 149
6.1 Предварительные замечания..........................................149
6.2 Результаты изучения МГД-устойчивости...............................154
6.3 Анализ результатов.................................................161
Заключение
164
4
Благодарности 168
Литература 169
Введение
Концепция газодинамической ловушки (ГДЛ), впервые опубликованная в 1979 году |1|, появилась благодаря попытке значительно упростить физику удержания плазмы в классическом пробкотроне Будкера-Поста (2,3). В отличие от пробкотропа, где удержание бссстолкновитсльных частиц плазмы обусловлено законами сохранения энергии и магнитного момента, ГДЛ предназначена для удержания столкновитсль-ной плазмы с изотропным в пространстве скоростей максвелловским распределением частиц. Условие столкиовительности выражается в том. что длина свободного пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь много меньше длины системы:
где А*, - длина свободного пробега ионов относительно рассеяния на угол порядка единицы, Ь - длина ловушки, К - пробочное отношение, которое в ГДЛ предполагается большим (Д 3> 1). В этих условиях механизм удержания частиц плазмы предельно прост и аналогичен удержанию бесстолкновителыюго газа в сосуде с малым отверстием. Время удержания плазмы в такой ловушке можно определить при помощи простой газодинамической оценки:
где Уі - средняя тепловая скорость ионов, что и оправдывает название системы. Важнейшим достоинством газодинамической ловушки является простая и надежная физика продольного удержания плазмы, продольные потерн частиц в ГДЛ практически не зависят от скорости их рассеяния внутри ловушки |4]. Чтобы полу-
I » Ай • \nRfR,
(0.1)
тиі-Я/Ц,
(0.2)
б
чить 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 [1,4). Это возможно благодаря относительно высокой плотности плазмы, истекающей в запробочную область — расширитель, где кривизна силовых линий магнитного поля может быть сделана благоприятной для обеспечения МГД устойчивости плазмы в пробкотроне. Для усиления стабилизирующего действия в некоторых случаях целесообразно заменить расширитель на МГД-якорь другого типа, например на аптипробкотрои (касп) [б]. 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 8 (/3 = 87г • Р/В2 - отношение давления плазмы к давлению магнитного поля), вплоть до 0 = 0.3 - 0.7 [5).
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 |4]. 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 мсгагауссных напряженностей с использованием теплых сверхпроводников) могли бы вывести газодинамическую ловушку в лидирующее положение с точки зрения перспектив использования в качестве термоядерного реактора [7).
Тем не менее, более реалистичным на сегодняшний день кажется предложение использовать ГДЛ в качестве нейтронного источника, т. е. термоядерного реактора с высокой плотностью нейтронного потока и относительно низким КПД [8]. Источник
расширитель пробки пучки пробки
Рис. 0.1: (а) - конфигурацгм магнитного поля и продольное распределение плотности плазмы в проекте источника нейтронов на основе газодинамической ловушки.
нейтронов (ИН) Б-Т реакции с энергиями близкими к 14 МэВ и плотностью мощности потока ~ (1-4) МВт/м2 сегодня становится все более необходимым для специалистов в области термоядерного материаловедения, перед которыми стоит одна из сложнейших проблем термоядерных исследований - задача поиска материалов, обладающих адекватной нейтронной стойкостью, для создания первой стенки будущих Э-Т реакторов [9]. Существуют также предложения использовать нейтронные источники такого типа для дожигания радиоактивных отходов и даже для управления подкритическими реакторами деления [10].
Чтобы обозначить физические основы проекта источника нейтронов на базе газодинамической ловушки, а также его отличительные особенности, рассмотрим бегло настоящий проект, следуя |11). В этом поможет нам рисунок 0.1. Главной ча-
8
стыо установки является осесимметричный пробкотрон длиной « 10 метров с пробочным отношением Я » 20, предназначенный для удержания двухкомпонентной плазмы. Одна из компонент — столкновительная мишенная плазма с изотропной в пространстве скоростей максвелловской функцией распределения частиц — имеет температуру электронов и ионов 0.5—1.0 кэВ и плотность (2 - о) • 1014 см-3. Для этой компоненты характерен газодинамический режим удержания, так как длина пробега ионов относительно рассеяния в конус потерь не превышает длину ловушки. Другая компонента — быстрые ионы с энергиями, лежащими в термоядерном диапазоне, — образуется в результате мощной атомарной инжекцин. Бесстолкно-вительный, адиабатический режим удержания характерен для данной компоненты. Популяция быстрых ионов, в свою очередь, складывается из двух составляющих: дейтонов и тритонов, которые, сталкиваясь, призваны производить термоядерные реакции. Энергия атомарной инжекцин при этом предполагается 100 130 кэВ при мощности 20-60 МВт.
Плотность и температура мишенной плазмы, а также энергия атомарной инжекцин находятся в таком соотношении, что характерное время торможения быстрых ионов оказывается много меньшим, чем характерное время рассеяния на угол порядка 1. Атомарная инжекция предполагается наклонной с углом около 30° по отношению к оси установки. При этом быстрые ионы, совершая продольные баунс-колебания между магнитными пробками, сохраняют малый угловой разброс, характерный для инжектированных атомарных пучков. В этих условиях вблизи областей отражения частиц — магнитных пробок, продольный профиль плотности быстрых ионов, а следовательно, и профиль плотности потока нейтронов за счет термоядерных реакций, оказываются пикированными, а сами величины плотности ионов и потока нейтронов во много раз превышают соответствующие параметры в центральной плоскости ловушки. Таким образом, наклонная инжекция нейтральных атомов позволяет разнести в пространстве область захвата пучков и зону испытаний нейтронного генератора (см. рисунок 0.2). Очень важно также, что наклонная инжекция позволяет минимизировать отрицательный вклад быстрых ионов в МГД
9
устойчивость двухкомпонентной плазмы. Существуют даже предложения МГД стабилизации плазмы при помощи популяции быстрых ионов, для чего предполагается использовать специальную конфигурацию магнитного поля с благоприятной в смысле МГД-устойчнвости кривизной силовых линий вблизи областей отражения быстрых ионов [12,13]. С другой стороны, как это следует из уравнений сохранения энергии и магнитного момента быстрых ионов, наклонная инжекцня эффективно уменьшает анизотропию их функции распределения в пространстве скоростей вблизи областей отражения, что, в свою очередь, благоприятно влияет на микроустойчивость популяции быстрых ионов.
Роль мишенной плазмы заключается в том, что она, во-первых, обеспечивает захват пучков, во-вторых, осуществляет МГД стабилизацию двухкомпонентной плазмы, и в-третьих, наличие теплых ионов с изотропным в пространстве скоростей распределением позволяет стабилизировать микроисустойчивости, вызванные неравиовесиостыо распределения быстрых ионов [14].
Осесимметричная конфигурация магнитного поля, наклонная инжекцня атомарных пучков и использование столкповительной мишенной плазмы, удерживаемой в газодинамическом режиме, для обеспечения захвата пучков, МГД-стабнлизации и стабилизации микронеустойчивостей являются особенностями, отличающими проект источника нейтронов на основе ГДЛ от других подобных проектов па базе открытых систем для магнитного удержания плазмы (15,16,17]. Подробный обзор теоретических работ по тематике удержания плазмы в ГДЛ, а также обоснование одного из вариантов проекта источника нейтронов на основе газодинамической ловушки опубликованы в [18].
Для экспериментального обоснования проекта ИН была создана и успешно работает в течение ряда лет в Институте ядерной физики им. Г.И.Вудкера СО РАН установка ГДЛ, на которой осуществляется моделирование физических процессов в генераторе нейтронов при меньшем уровне параметров плазмы, а также проводится ряд исследований, направленных на изучение физики удержания плазмы, как в газодинамической ловушке, так и в открытых магнитных системах других типов.
10
\ Приемники пучков Зоны испытаний
Атомарные инжекторы
Рис. 0.2: Конструкция истопника нейтронов па основе газодинамической ловушки (рису-иок заимствован из /И/ с любезного согласия автора).
11
Наиболее важные пункты программы исследований на установке ГДЛ перечислены ниже с некоторыми дополнительными комментариями.
• Исследование МГД устойчивости двухкомпонентной плазмы с высоким значением $ в осесимметричной магнитной ловушке, стабилизированной внешним МГД - якорем. Актуальность данной задачи подчеркивается тем обстоятельством, что до настоящего времени не существует исчерпывающего теоретического анализа МГД - устойчивости такой плазмы с учетом относительно больших ларморовских радиусов и высоких скоростей азимутального дрейфа быстрых частиц.
• Изучение удержания частиц и энергии в мишенной плазме при нагреве мощной атомарной инжекцией в присутствии популяции быстрых ионов. Данная задача разбивается на два крупных подпункта. С одной стороны, ее решение подразумевает изучение продольного удержания, а с другой стороны — исследование поперечного переноса вещества и энергии. Хотя, как сказано выше, газодинамическую ловушку отличает простая и надежная физика продольного удержания частиц, с продольным удержанием энергии дело обстоит значительно сложнее, поскольку существует прямой контакт истекающей за пробки плазмы с поверхностью торцевых плазмоприемннков. В этих условиях высокоэнергичные частицы плазменного потока способны вызвать эмиссию «холодных» электронов с поверхности плазмоприемннков, которые, в свою очередь, замещая «горячие» электроны, покинувшие ловушку, могут вызвать мощное аномальное охлаждение. Для преодоления влияния этого эффекта предлагались специальные конструкции торцевых приемников плазмы, которые бы позволяли подавлять потоки вторичных электронов (см. например [19]). С другой стороны, теоретически было показано, что естественно расширяющееся за пробками ловушки магнитное поле способно при достаточно большой степени расширения полностью подавить аномальный электронный поток тепла [20]. Ввиду чрезвычайной важности вопроса о продольном
12
удержании энергии, как для проекта генератора нейтронов, так и для физики магнитных ловушек, данное предсказание требовало прямой экспериментальной проверки. Большой интерес представляет также вопрос о поперечном транспорте частиц и энергии в мишенной плазме ГДЛ. С одной стороны, этот интерес продиктован проектом ИМ, а с другой стороны, вопрос имеет принципиальное фундаментальное значение для физики магнитных ловушек. Важно отметить, что полностью аксиально симметричный пробкотрон установки ГДЛ является очень удобным объектом для изучения этой проблемы в «чистых», не замутненных физическими явлениями, связанными с несимметрией магнитного поля, условиях. Среди проблем, связанных с удержанием частиц и энергии в ГДЛ, очень важным представляется изучение возможности поддержания стационарной плотности мишенной плазмы. Эта задача диктуется требованием непрерывного режима работы генератора нейтронов. Она включает в себя экспериментальный анализ различных возможностей стационарной инжекции плазмы или нейтрального вещества.
• Исследование удержания быстрых ионов. Этот пункт программы подразумевает подробное изучение кинетики торможения и рассеяния быстрых ионов, выявление роли возможных механизмов аномальных потерь, таких как: рассеяние на микрофлуктуациях в плазме, нарушение адиабатачности движения, вызванное несовершенством магнитной системы, — и так далее. Следует подчеркнуть, что проект ИН допускает только кулоновский механизм рассеяния быстрых ионов. Наличие небольших аномалий в скорости рассеяния, не вызывающее еще существенного уменьшения времени удержания за счет ухода частиц в конус потерь, приводит к уширению угловой функции распределения быстрых ионов, что неминуемо влечет за собой уменьшение пикировки продольного распределения потока нейтронов и тем самым снижает эффективность нейтронного генератора. В связи с этим, для изучения релаксации и удержания быстрых ионов предстаставляется очень продуктивным прямое
13
моделирование источника нейтронов при малой интенсивности термоядерных реакций. В специальных экспериментах с инжекцией нейтральных пучков дейтерия вместо водорода возможно провести измерения распределения интенсивности термоядерных D-D реакций вдоль оси установки при помощи специальных счетчиков, способных регистрировать продукты реакции: нейтроны с энергией 2.45 МэВ и прогоны с энергией около 3 МэВ.
• Изучение поведения нейтрального газа в процессе нагрева плазмы атомарной инжекцией, исследование влияния свойств первой стенки на баланс частиц нейтрального газа. Интерес к этой задаче обусловлен необходимостью минимизировать потери быстрых ионов за счет перезарядки на нейтральном газе в процессе работы нейтронного генератора. Для этого необходимо детально исследовать поведение всех компонент нейтрального газа, определить степень их влияния на перезарядные потери быстрых ионов.
Перечисленные выше задачи частично были предметом исследований в течение всего периода экспериментальной деятельности на установке ГДЛ, начиная с 1986 года. В работах (21,22,23] изложены результаты исследования равновесия и МГД устойчивости теплой столкиовительиой, а также двухкомпонентиой плазмы с низким значением (3 » 0.05, представлены результаты изучения поведения популяции быстрых ионов также с низким значением (3.
Все исследования, изложенные в настоящей работе, за исключением экспериментов по изучению продольного удержания вещества и энергии, выполнены на модернизированной установке ГДЛ. Модернизация, которая была проведена, в основном, за последние пять лет, включала в себя следующие мероприятия:
• улучшение вакуумных условий, которое заключалось, в основном, в улучшении пучковых трактов атомарных инжекторов и применении электродуговых испарителей титана для быстрого нанесения титанового покрытия на первую стенку установки ГДЛ непосредственно перед рабочим выстрелом, что позволило кардинальным образом уменьшить концентрацию нейтрального газа
14
в процессе атомарной ннжекции и, практически, исключить потери быстрых частиц, связанные с перезарядкой на нейтральном газе;
• модернизацию системы атомарной инжекции, что позволило удвоить се мощность;
• создание ряда новых бесконтактных диагностик, ориентированных на исследование двухкомнонеитной плазмы с относительно высокими параметрами;
• создание новой системы автоматизации управления, сбора и обработки данных.
Перечисленные выше мероприятия, вместе с оптимизированным сценарием эксперимента позволили достичь основных параметров плазмы, таких как: температура ионов и электронов мишенной плазмы, энергосодержание и плотность быстрых ионов, плазменное /3, которые в несколько раз превосходили соответствующие параметры до модернизации установки ГДЛ. В частности, (3 достигло 0.2, плотность быстрых ионов в областях отражения - 1013 см-3 при средней энергии > 8 кэВ. Таким образом, настоящая работа была ориентирована на реализацию пунктов обозначенной выше программы исследований в условиях, когда удерживаемая в ГДЛ двухкомпонеитнан плазма обладала достаточно высокими параметрами, в частности, относительно высоким значением /?.
Диссертация организована следующим образом.
• В главе 1 приведено описание экспериментальной установки и типичной временной последовательности работы ее основных систем.
• Глава 2 посвящена экспериментальному изучению продольных потерь вещества и энергии в газодинамической ловушке. Особое внимание в этих исследованиях уделено вопросу о подавлении электронного потока тепла расширяющимся магнитным полем.
15
• В главе 3 дано подробное описание вакуумной системы установки ГДЛ, оптимизированной процедуры создания вакуумных условий и подготовки первой стенки, приведено описание достигнутых параметров. Также представлены результаты экспериментальных и численных исследований переноса нейтрального газа в центральной ячейке установки ГДЛ в условиях мощной атомарной инжекнии при использовании процедуры титанированмя первой стенки.
• Глава 4 состоит из двух частей. В разделе 4.1, который посвящен экспериментальному и численному изучению кинетики торможения и углового рассеяния быстрых ионов, описана методика проведения эксперимента, приведены основные параметры плазмы, описаны использованные в данных экспериментах диагностики. Основное внимание уделено аппаратуре и методике измерения локальной функции распределения быстрых ионов по энергиям и питч-углам. Затем дано краткое описанию численных кодов, предназначенных для моделирования популяции быстрых ионов. В заключительной части раздела 4.1 представлены результаты измерений и вычислений. Раздел 4.2 данной главы, посвященный измерениям пространственных распределений интенсивности термоядерных реакций при инжекции дейтериевых пучков, включает в себя описание детектора для регистрации продуктов 1) 0 реакции и обоснование его адекватности решению поставленной задачи. Затем описаны измерения и режимы работы установки, в которых производились измерения, приведены основные результаты экспериментов, сделано сравнение измеренных интенсивностей термоядерных реакций с данными расчетов, приведены основные выводы.
• Глава 5 посвящена описанию экспериментов но изучению энергетического и материального баланса двухкомпонентной плазмы. Глава также содержит два раздела, в одном их которых представлены результаты анализа баланса энергии для двухкомпонентной плазмы с высоким значением /3. Основной акцент здесь сделан на изучение каналов энергетических потерь мишенной плазмы.