Upload
demetria-lois
View
68
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
XXXII ЗВЕНИГОРОДСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФИЗИКЕ ПЛАЗМЫ И УПРАВЛЯЕМОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ. г. Звенигород 14 - 18 февраля 2005 года. НАГРЕВ И УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3 - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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:[email protected]
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