НАГРЕВ И УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ...

НАГРЕВ И УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ В

МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3

А.В. Бурдаков, А.М.Аверков, А.В. Аржанников, В.Т. Астрелин, А.Д.Беклемишев, Г.Е.Деревянкин, Э.Р.Зубаиров, В.Г.Иваненко, И.А. Иванов, М.В.Иванцивский,

В.С. Койдан, В.В.Конюхов, И.А.Котельников, С.А. Кузнецов, А.Г.Макаров, К.И. Меклер, В.С.Николаев, В.В. Поступаев, А.Ф. Ровенских, С.В. Полосаткин,

В.В.Семионов, С.Л.Синицкий, В.Д.Степанов, Ю.С.Суляев, Ю.А.Трунев, А.А.Шошин.

Институт ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск, e-mail:burdakov@inp.nsk.su

XXXII ЗВЕНИГОРОДСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФИЗИКЕ ПЛАЗМЫ И УПРАВЛЯЕМОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ

г. Звенигород 14 - 18 февраля 2005 года

План выступления

1.Введение.

2.Особенности нагрева плазмы релятивистским электронным пучком.

3.Токи в плазме. •Формирование винтовой структуры магнитного поля.•Устойчивость системы пучок-плазма.•Удержание плазмы.

4.Быстрый нагрев ионов.

5.Прогресс в параметрах плазмы. Заключение.

Предисловие

В начале 70х годов в ИЯФ была выдвинута идеямногопробочного удержания плотной горячей плазмы.

Для быстрого нагрева плотной плазмы было предложеноприменять мощные релятивистские электронные пучки

Основной целью экспериментов на установке ГОЛ-3 является подтверждение перспективности многопробочной ловушки для

решения проблем управляемого термоядерного синтеза.

Многопробочное удержание - введение

Принцип многопробочного удержания

Пусть длина соленоида L превышает длину свободного пробега i. Если, в то же

время, длина ячейки l~ i , то время продольного удержания существенно

увеличивается по сравнению с классической пробочной ловушкой.

R = Bmax

Bmin

L

~LVTi

0 - время удержания в соленоиде

l

R2 L2

i VTi

= R2 Li

Многопробочная ловушка ГОЛ-3

Схема установки ГОЛ-3

Ленточный диод

Генератор электронного пучка У-2

Гофрированное магнитное поле

Выходной узелПлазма

Магнитное поле• многопробочное • 55 ячеек• 4.8/3.2 Tл

Электронный пучок• 1 МэВ • 50 кА• 8 мкс• до 300 кДж

Плазма• длина 12 м• 1020 - 1022 м-3

• температура ~1 кэВ

55 ячеек R=Bmax/Bmin= 4.8/3.2 Tл

Режим слабой гофрировки,

R=1.5

• Плазма нагревается ~120 кДж (~8 мкс) электронным пучком. В 2004 году плотность тока пучка в плазме была

увеличена в 2 раза

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

0

5

10

04

PO

01

6R

B, Tл

Расстояние от входной пробки (Z), м

Режим с гофрировкой магнитного поля на всей длине 12-метрового соленоида.

R2 L2

i VTi

= R2 Li

ГОЛ-3: создание начального профиля плотности

Особенностью экспериментов является высокая (для систем с магнитным удержанием) плотность плазмы (до 1022 м-3).

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14расстояние от входной пробки, м

0.1

1

n 0, 1

021 м

-3

Распределение начальной плотности дейтерия (n0). Создается системой импульсных клапанов

Показано несколько типичных режимов работы установки.

План выступления

1.Введение.

2.Особенности нагрева плазмы релятивистским электронным пучком. (Однородное магнитное поле)

3.Токи в плазме. •Формирование винтовой структуры магнитного поля.•Устойчивость системы пучок-плазма.•Удержание плазмы.

4.Быстрый нагрев ионов.

5.Прогресс в параметрах плазмы. Заключение.

0 2 4 6 8 10 12

Эл

ектр

онна

я те

мпе

рату

ра,

кэВ

Электронная температура(однородное поле)

1

2

3

Расстояние от входной пробки, м

Данные диамагнитных измерений и томсоновского рассеяния

До 40% энергии пучок теряет в плазме

(0.8-1) 1015 см-3

02P

O03

3E

nb/ np

0

0.2

0.4

0.6

0.8

neT

e+

niT

i, 1

01

5 кэ

В/с

м3

0.1 1J, кА /см 2, для n=10 15см -3, 1М эВ

10 -5 10 -4 10 -3

1. Зависимость давления плазмы от отношения плотности пучка к

плотности плазмы

Скейлинги (однородное поле)

3. Увеличение эффективной частоты столкновений электронов в ~1000 раз•Подавление продольной электронной теплопроводности•Уменьшение проводимости

0 100 200 300

Э нергозапас пучка , кД ж

0

2

4

6

8

10

12

nT

, о.е

.

ГО Л-3-IIГО Л-3-I

2. Зависимость давления плазмы от энергозапаса в пучке

Астрелин В.Т., Котельников И.А. и др., Звенигород,2005

5 5.5 6 6.5 7 7.5

0

1

2

3

4

5

6

Н, Т

л

n0=1.0 1015 см-3

Демонстрация эффекта подавления продольной электронной теплопроводности

5 5.5 6 6.5 7 7.5расстояние от вход ной пробки, м

0

0.2

0.4

0.6

0 .8

1

nT,1

015 э

В/с

м3

Te=1кэВ

План выступления

1.Введение.

2.Особенности нагрева плазмы релятивистским электронным пучком.

3.Токи в плазме. •Формирование винтовой структуры магнитного поля.•Устойчивость системы пучок-плазма.•Удержание плазмы.

4.Быстрый нагрев ионов.

5.Прогресс в параметрах плазмы. Заключение.

Токи в плазме ГОЛ-3•Уменьшение проводимости

2 zrBq

LB

Предварительные замечания

Для линейных систем с током запас устойчивости:

В условиях ГОЛ-3( L=12м, Bz=5Tл) для тока пучка 30кА

q~0,3

Без компенсации пучок в плазме неустойчив, что и

наблюдается в эксперименте:

Горячие осколки лимитеров, летящие в камере после неправильного срабатывания

установки 1997 photo

Токи в плазме ГОЛ-3

-UразрB0

предплазма

Токи в плазме ГОЛ-3•Уменьшение проводимости

-UразрB0

-Uпучка

инжекция пучка и формирование обратного тока

В сечении пучка ~class/1000,поэтому ток пучка не компенсирован

q(0) ~0,3-0,5

I

t

c

RIb

2

2

R

Пучок генерирует встречный ток(индуктивное падение напряжения

на плазменном столбе!)

Токи в плазме ГОЛ-3

Ленточный диод

Генератор электронного пучка У-2

Гофрированное магнитное поле

Выходной узелПлазма

источники тока:пучок предплазма

Формирование винтовой структуры магнитного поля

0 0.05 0.1 0.15 0.2

-4

-2

0

2

4

-3

-2

-1

0

1

0 0.05 0.1 0.15 0.2time, ms

Net p lasm a current, kA

Current density at the axis, kA /cm 2

04P

O04

7E

Beam in jection

Z = 5.33 m

Винтовая структура магнитного поля формируется током пучка и встречным током, искусственно создаваемым в выходном узле.

Выходной узел

First information: A.V.Burdakov at al. 31st EPS Conference on Plasma Physics, London. 2004

Высоковольтные электродыВакуумная камера

Выходной коллектор

плазма

0.5 m

пучок

JoutJradial

Прямое измерение профиля q

• Streak target absorbs fraction of the beam and creates “shadow”• After the target the shadow rotates due to helicity of magnetic field• X-ray footprint of the beam is imaged by a framing pinhole detector• Rotation of the shadow is measured

Sce

me_

gam

ma

_obs

kura

streak target

high-voltage electrode

vacuum chamber

exit collector

plasm a

0.5 m CCD cam era

pinhole CsJ scintillator

fram ing ICTtarget shadow

beam

lead shie ld

Layout of measurements by X-ray pinhole detector

В.В.Поступаев и др.,Звенигород,2005

Оригинальный снимок Реконструкция изображения

Тень от мишени

Элементы конструкциивыходного коллектора

Изображение мишени

Результат измерения

Кадр 0.5мкс

0 1 2 3 4r, cm (for 5 T field)

-1

0

1

2

04P

O04

5 E

= 1/q

unstable region

Radial dependence of

is of different sign in the center and at the edge of the plasma

Radial structure of currents results in sheared magnetic field, which can stabilize some MHD modes in the multimirror trap.

Plasma in the shaded area is unstable in respect to m=1 mode (analog of sawtooth oscillations in tokamaks, flattens current profile)Several MHD modes are observed after large time since the beam end. This can indicate existence of some sheared current structure at that time.

Plasma as a whole is stable

Прямое измерение профиля q

В.В.Поступаев и др.,Звенигород,2005

Винтовая структура магнитного поля

Начальное распределение токаАзимутальное

магнитное поле

Расчеты движения плазмы в линейной ловушке с током(применительно к ГОЛ-3)

Жуков В.П. и др. Звенигород, 2005

Жуков В.П. и др. Звенигород, 2005

Винтовая структура магнитного поля

1 мкс

0

0.4

0.8

0

0.4

0 0.05 0.1 0.15 0.2время, мс

neTe+niTi, 1021 кэВ/м304

PO

035T

PL5915 25 мкс

PL5914 245 мкс

-6

-4

-2

0

2

0

2

4

полн

ый

ток,

кА

0 0.1 0.2 0.3 0.4время, мс

04PO034U

PL5914 245 мкс

PL5915 25 мкс

0

4

8

PL5915 25 мкс

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1время, мс

0

0.5 PL5914 245 мкс

нейтронный сигнал, отн.ед.

04P

O04

4T

Влияние профиля q на удержание плазмы

Показано, что формирование винтового магнитного поля с широм позволяет стабилизировать плазму.

Будет ли работать шир в условиях реактора с ~1 ?

Заключение по этой части

А.Д.Беклемишев, Звенигород 2005

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2tim e, m s

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

ampl

itude

, V

p l5876Нагрев электронным пучком

Удержание

ГОЛ-3: Нагрев и удержание ионов плазмы Эмиссия DD нейтронов.

Нейтроны выделяются на фоне более мощного потока гамма-квантов методом цифровой дискриминации по форме импульса

Z=4.3м

время, мс

Плотность дейтерия

1.910 15 см-3

( стильбен +ФЭУ+АЦП200, (лаб.6))

ГОЛ-3: Нагрев и удержание ионов плазмы

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

время, мс

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Ti,

кэВ

Динамика ионной температуры, измеренная по доплеровскому контуру линии Da .

Время нагрева ионов много меньше времени классической передачи энергии от электронов.

n=0.310 15 см-3

План выступления

1.Введение.

2.Особенности нагрева плазмы релятивистским электронным пучком.

3.Токи в плазме. •Формирование винтовой структуры магнитного поля.•Устойчивость системы пучок-плазма.•Удержание плазмы.

4.Быстрый нагрев ионов.

5.Прогресс в параметрах плазмы. Заключение.

•Неоднородное магнитное поле приводит к неоднородности нагрева электронов плазмы пучком•Вследствие подавления теплопроводности возникают градиенты электронной температуры в каждой ячейке•Градиент температуры (давления) приводит к встречному ускорению плазмы в каждой ячейке•Далее происходит столкновение и перемешивание плазменных потоков.

ГОЛ-3: Быстрый нагрев ионов

- 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4Z,ì

0.001

0.01

0.1

1

10

nTS

, J/

cmne

utr

on fl

ux,

a.u

.

dia 4 .8 usneutron 8us

PL5715

Аксиальный профиль диамагнетизма и нейтронного потока

0 2 4 6 8 10 12

z, m

0

2

4

6 n, 1015 см -3

012345

B, Tл

ГОЛ-3: МГД-код ISW-2

Модель предсказывает появление модуляции плотности плазмы

Модель предсказывает появление модуляции плотности плазмы

Измерения профиля плотности плазмы по томсоновскому рассеянию луча неодимового лазера

Иванцивский М.В., Звенигород,2005

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6вр е м я , м и к р о с е к у н д

0

0 .5

1

1 .5

2

n e, 10

15 с

м -3

0 м м6 м м1 2 м м

0 4 8 12 16

-12

-8

-4

0

4

8

12

Измерения в отдельных выстрелах

nTо.е.

Флуктуации давления плазмы

профиль плотности

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2tim e, m s

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

ampl

itude

, V

p l5876Нагрев электронным пучком

Удержание

ГОЛ-3: Нагрев и удержание ионов плазмы Эмиссия DD нейтронов.

Z=4.3м

время, мс

Плотность дейтерия

1.910 15 см-3

«время установления»

1 2 3 4 5

D077n5

b1bb3BGOPWO

0 0.5 1 1.5Z,m

0.1

0.1b1 - neutron

b - neutron

0.1b3 -neutron

0.1 n5 - neutron

10

D0077 – diff.diam. signal

pl5838

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32time, microseconds

0.1 PWO - gammas

ampl

itude

, a.u

.

Waveforms of different signals, n0=1.91021 m-3

Динамика плазмы в отдельных ячейках ловушки

Раположение локальных датчиков

В 3-ей ячейке:Нейтронный детекторГамма-детекторВ 4-ой ячейке:Нейтронные детекторыДиамагнитная петля

Суляев Ю.С., Звенигород,2005

2 0 3 0 4 0

âðåì ÿ , ì èêðî ñåêóí ä

PL5741

Динамика плазмы в отдельных ячейках ловушки

Нейтронный детектор n53-я ячейка

Суляев Ю.С., Звенигород,2005

2 0 3 0 4 0

âðåì ÿ , ì èêðî ñåêóí ä

PL5741

Динамика плазмы в отдельных ячейках ловушки

T~l

VTi

Замечено:Гипотеза: «свисток»

Возбуждение стоячих звуковых волн в каждой ячейке при протоке плазмы сквозь многопробочную ловушку

Плазма в целом устойчива

Наблюдается микротурбулентность, плазма самоорганизуется

Для плотной плазмы в многопробочной ловушке микротурбулентности играют положительную роль

Заключение по этой части

ГОЛ-3: прогресс в параметрах плазмы

Сигналы датчиков диамагнетизма (давления плазмы) для различных магнитных конфигураций

dia_

rec o

rds

0 0.2 0.4 0.6 0.8

время, мс

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6neTe+niTi, 1021 кэв/м3

полная гофрировка, 1.5 1021 м-3, D улучшенный нагрев, PL5871, 2.08 м

полная гофрировка, 0.8 10 21 м-3 , D PL5221, 3.57 м

гофрировка на концах по 4 м, D, 0.3 1021 m-3, PL4710, 2.08 м

однородное поле, 0.9 1021 м-3 , H PL2285, 3.73 м

1997

2001

2002

2004

0

•Время жизни плазмы (0,5-1мс) соответствует расчетному для многопробочной ловушки в оптимальных условиях.

ГОЛ-3: Основные «термоядерные» параметры (Ti и n) увеличены

•При плотности плазмы (1-3)1015см-3 найдены условия для макроскопической стабилизации плазмы :

-стабилизация системы пучок-плазма происходит за счет формирования винтовой структуры магнитного поля с широм

-впервые измерена радиальная зависимость вращательного преобразования

-начаты исследования влияния винтовой конфигурации магнитного поля на удержание плазмы

•Достигнута ионная температура 2кэВ: Обнаружен эффект быстрого нагрева ионов

•Получена величина n ~ (1.53)10 12 см-3·с при ионной температуре ~1 кэВ.

Заключение