WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

В указанной работе найдено стационарно вращающееся распределение потенциала (r) в системе, где первая желобковая мода насыщается и амплитуда смещения перестает экспоненциально зависеть от времени, как это происходит на линейной стадии. То есть смещение плазменного столба относительно положения равновесия можно представить течением с постоянной скоростью поперек магнитного поля. Потенциал торцевого приемника плазмы задает граничное условие вдоль магнитного поля и имеет вид ступеньки, что соответствует реальному эксперименту. В работе также показано, что при создании достаточно большого потенциала в периферийном слое плазмы с толщиной, много меньшей её радиуса, линии потока плазмы образуют замкнутые контуры, препятствующие радиальному переносу частиц.

Ключевым критерием, говорящим об эффективности стабилизации, в описываемой теории является ширина слоя, в котором реализуется скачок потенциала. Авторы дают оценку для этой величины относительно радиуса плазмы:

r Te. (1) a aДля обеспечения устойчивости описываемым механизмом необходимо, Рис. 4. Линии тока плазмы в сечении, перпендикулярном магнитному полю, при w = Te/e.

чтобы выполнялось условие r/a 1, где r – ширина слоя, в котором реализуется скачок потенциала (для ГДЛ это 5 см), a – радиус плазмы, равный 14 см. Тогда создание скачка потенциала в плазме модифицирует линии тока, создаваемые первой модой желобковой неустойчивости так, что они могут замыкаться. Это приводит к уменьшению поперечного переноса в ловушке. Такой эффект носит пороговый характер и зависит от величины скачка потенциала (w). Когда он становится порядка электронной температуры, линии тока замыкаются (рис.4). Этот факт также подтвержден в серии экспериментов на ГДЛ, где по данным дисперсионного интерферометра и по диамагнитным сигналам быстрых ионов можно было судить о режиме удержания плазмы при подаче различного потенциала на лимитер. Наблюдалось существенное увеличение времени удержания при потенциале на лимитере +100 В.

Описанная теоретическая модель позволяет сделать некоторые оценки о применимости метода стабилизации приложенными потенциалами для проекта нейтронного источника на основе ГДЛ. Для базового варианта такого источника предусмотрены следующие параметры ([4]): электронная температура Te = 1.1 кэВ, плотность быстрых ионов 1.2 · 1014 см-3, радиус плазмы a = 8 см, пробочное отношение R = 15.

Используя оценку 1 и приняв удовлетворительной ту степень эффективности стабилизации, какая она есть на сегодняшний день в ГДЛ, а электронную температуру увеличить примерно в 10 раз относительно сегодняшней, как того требует проект нейтронного источника, то радиус плазмы следует увеличить всего в 1.78 раза.

Можно также оценить, какую часть от полной мощности нагрева составляют затраты на описываемый метод стабилизации. Эта оценка позволит обосновать применимость метода для нейтронного источника на основе ГДЛ. Считая, что вся затрачиваемая в системе мощность расходуется на нагрев плазмы, а потери – только продольные, можно оценить мощность потерь, как выносимую из центральной ячейки электронионной парой, а затрачиваемую на стабилизацию мощность – как произведение перепада потенциала в слое на ток, текущий в этом слое. В результате отношение мощностей оказывается равным Wstab = 0.02. (2) Wtotal Оценка 2 позволяет заключить, что метод стабилизации, требующий затрат мощности, составляющих единицы процентов от полной мощности нагрева системы, может быть применен в термоядерных установках класса нейтронного источника на основе газодинамической ловушки.

В четвертой главе описаны эксперименты по обеспечению стабилизации желобковой неустойчивости в ГДЛ методом создания благоприятной средней кривизны магнитных силовых линий в ловушке, то есть с использованием дополнительных торцевых ячеек – расширителя и антипробкотрона.

Для оценки эффективности метода стабилизации радиальным электрическим полем, описываемого в данной работе, было предложено сравнить его с методом стабилизации торцевыми ячейками, которые изначально являлись основными средствами достижения МГД устойчивости в ГДЛ. Очень важным мотивом для проведения экспериментов с МГД якорями была также возможность осуществления моделирования метода увеличения их стабилизирующих свойств за счет инжекции газа в запробочную область ловушки. При этом предполагалось, что дополнительная плазма, образованная за счет ионизации газа, будет увеличивать газодинамический напор в расширителе или давление в антипробкотроне.

Мощность, необходимая для ионизации газа и нагрева дополнительной плазмы, при этом должна поступать из центральной ячейки по каналу электронной теплопроводности. Такой метод был предложен в проекте нейтронного источника на основе ГДЛ [3].

Кроме того, очень важной с точки зрения экспериментального обоснования проекта источника нейтронов представляется демонстрация возможности обеспечения МГД устойчивости при помощи якорей в условиях, близких к стационарным. Это стало реализуемо после увеличения длительности атомарной инжекции до 5 мс, что примерно втрое превышает характерное время продольного удержания частиц при газодинамическом истечении столкновительной компоненты плазмы.

В экспериментах с использованием расширителя в качестве МГДякоря конфигурация магнитного поля в установке изменялась таким образом, чтобы кривизна силовых линий в запробочной области была благоприятной для МГД-устойчивости согласно критерию РозенблютаЛонгмайра. Необходимая кривизна обеспечивалась катушками магнитного поля, охватывающими торцевые баки. Токи в этих катушках направлены противоположно токам катушек центрального соленоида. При работе с расширителем измерялся поток ионов, вытекающих из пробки, а также плотность и температура в расширителе в зависимости от радиуса. На основе этих данных, а также знаний о параметрах плазмы в центральной ячейке, вычислялся “запас устойчивости”, определяемый как модуль отношения интеграла по стабилизатору к интегралу по центральной части:

Iexp, Q = (3) Icc который оказался равен Q = 0.38 < 1, что говорит о недостаточности стабилизирующих свойств расширителя. Даже при постоянном поддуве газа в режиме с расширителем стационарного удержания достигнуть не удавалось и энергосодержание в этом режиме было на 50% меньше, чем в режимах с дифференциальным вращением. Температура же не превышала 70 эВ (по сравнению со 150 эВ в лучших режимах с инжекцией атомарных пучков водорода).

Также были проведены эксперименты по изучению стабилизирующих свойств антипробкотрона (полукаспа). Для этого в магнитную систему установки были включены дополнительные катушки, установленные внутри и вне расширительного бака. В этих катушках токи текут в разных направлениях, создавая на оси “ноль поля”. Таким образом достигается нужная положительная кривизна силовых линий. Лимитеры и торцевые плазмоприемники были заземлены во всех экспериментах.

Температура в центральной ячейке в режимах с каспом и инжекцией водородных пучков не превышала 110 эВ, а энергосодержание было на 30% меньше, чем при реализации ширового вращения. Для режимов с водородной инжекцией был рассчитан “запас устойчивости”, который оказался близок к единице.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты, полученные в работе • Показано, что при неблагоприятной относительно МГДустойчивости конфигурации магнитного поля в запробочной области ГДЛ вынос импульса в расширитель и наличие в нем плазмы с ненулевой плотностью играют существенную роль, однако эти эффекты не приводят к качественному изменению процесса развития желобковой неустойчивости.

• Экспериментально доказано, что в условиях экспериментов на установке ГДЛ желобковая неустойчивость не может быть подавлена за счет контакта плазмы с радиальными и торцевыми лимитерами.

• Обосновано предположение о возможности подавления поперечных потерь при развитии желобковой неустойчивости в ГДЛ путем создания внутри плазмы области с дифференциальным вращением, которая образуется при формировании перепада электрических потенциалов на коаксиальных секциях радиальных и торцевых лимитеров.

• Проведено экспериментальное обоснование теоретической модели, описывающей механизм подавления радиальных потерь при дифференциальном вращении плазмы в ГДЛ. Обнаружено удовлетворительное совпадение экспериментальных результатов с предсказаниями теории. Результаты теоретического рассмотрения позволяют рекомендовать указанный метод для снижения поперечных потерь плазмы в проектируемом источнике нейтронов на основе газодинамической ловушки.

• Реализовано удержание плазмы в стационарных режимах с дифференциальным вращением. В этих условиях достигнуты максимальные на сегодняшний день для ГДЛ параметры: температура электронов Te 150 эВ (при инжекции водородных пучков), относительное давление 40% (при инжекции дейтериевых пучков пучков), плотность быстрых ионов nf 4 · 1013см-3. Сравнение результатов измерений и численного моделирования в этом режиме показывает, что в приосевой области плазмы потери энергии и частиц определяются продольным газодинамическим истечением.

• Изучена эффективность стабилизации при помощи МГД-якоря антипробкотрона в режиме стационарного удержания. Для увеличения “запаса устойчивости” реализован метод инжекции газа в антипробкотрон, предложенный ранее в рамках проекта источника нейтронов на основе ГДЛ. Указанная мера позволила удвоить энергосодержание быстрых ионов по сравнению с соответствующей величиной, полученной ранее в аналогичном режиме. Согласно результатам оценки, относительное давление достигло 13%, при величине “запаса устойчивости” Q 1.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. P.A.Bagryansky, E.I. Soldatkina, Influence of radial electric field on high-beta plasma confinement in the gas dynamic trap. // Book of Abstracts of 33th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Rome, June 19 - 23, 2006, ECA, Vol.30I, P1.175.

2. P. A. Bagryansky, A. D. Beklemishev, M.S. Chaschin, E.I. Soldatkina, Radial Electric Fields and Radial Currents in the Gas Dynamic Trap.

// Fusion Science and Technology, Volume 51, Number 2T, 2007 Pages 337-339.

3. P.A. Bagryansky, A.D. Beklemishev, E.I. Soldatkina, Influence of Radial Electric Field on High-Beta Plasma Confinement in the Gas Dynamic Trap. //Fusion Science and Technology Volume 51, Number 2T, 2007, Pages 340-342.

4. A.V.Anikeev, P.A.Bagryansky, A.S.Donin, A.A.Ivanov, A.V.Kireenko, A.A.Lizunov, V.V.Maximov, S.V.Murakhtin, V.V.Prikhodko, E.I.Soldatkina, A.L.Solomakhin, D.N.Stepanov, Confinement and MHD-stability of high-beta anisotropic plasma in the Gas Dynamic Trap. // Proc. of the 34th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (2-6 July 2007, Warsaw, Poland) ECA (2007).

5. П.А. Багрянский, Е.И. Солдаткина, А.Л. Соломахин, Влияние пристеночной плазмы на МГД устойчивость в газодинамической ловушке. // Тезисы докладов XXXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 2007, С.55.

6. А.В. Аникеев, П.А. Багрянский, А.Д. Беклемишев, А.В. Киреенко, А.А. Лизунов, В.В. Максимов, С.В. Мурахтин, В.В. Приходько, Е.И. Солдаткина, А.Л. Соломахин, М.С. Чащин, Методы МГД стабилизации двухкомпонентной плазмы в газодинамической ловушке.

// Тезисы докладов XXXV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 2008, С.33.

7. Е.И. Солдаткина, П.А. Багрянский, А.Л. Соломахин, Влияние радиального профиля электрического потенциала на удержание двухкомпонентной плазмы с высоким бета в газодинамической ловушке.

// Физика Плазмы, 34, 2008, вып.4, С.291-296.

Список литературы [1] Мирнов В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая линейная ловушка для удержания плазмы. // Письма в ЖЭТФ, 1979, т.5, c.678.

[2] Мирнов В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка. // В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. - М.:

ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1980, вып.1(5), с.57-66.

[3] Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Kruglyakov E.P. et al. // Fusion Engineering and Design 2004, v.70, p.13-33.

[4] Котельников И.А., Рютов Д.Д., Цидулко Ю.А., Катышев В.В., Комин А.В., Кривошеев В.М. Математическая модель источника нейтронов на основе газодинамической ловушки. // Новосибирск, 1990, 43с. - (Препринт/Ин-т ядер. физики СО АН СССР; 90-105).

[5] Ivanov A.A., Ryutov D.D. Mirror-based neutron sources for fusion technology studies. // Nucl. Science and Engineering, 1990, v.106, p.235.

[6] Ivanov A.A., Kotel’nikov I.A., Kruglyakov Eh.P., et. al. A plasma-type neutron source for fusion materials irradiation testing. // Proc. of the 17th Symposium on Fusion Technology, /ed. C.Ferro, M.Gasparotto, H.Knoepfel. - 1992, Rome, v.2, p.1394.

[7] Кривошеев М.В., Катышев В.В. // Вопросы Атомной Науки и Техники, сер. Термоядерный синтез, 1988, N2, с.12.

[8] Post R.F., Fowler T.K., Kileen J., Mirin A.A. Concept for a high-powerdensity mirror fusion reactor. // Phys. Rev. Lett., 1973, v.31, p.280.

[9] Ivanov A.A., Bagryansky P.A., Anikeev A.V. et al., Experimental Evidence of High-Beta Plasma Confinement in an Axially Symmetric Gas Dynamic Trap. // Phys. Rev. Lett., 2003, v.90, N10, p.105002-1105002-4.

[10] Котельников И.А., Росляков Г.В., Рютов Д.Д. Стабилизация желобковых возмущений в осесимметричной открытой ловушке с плещущимися ионами. // Физика плазмы, 1987, т.13, вып.4, c.403.

[11] R. Kumar and S.K. Saha Temperature fluctuations and turbulent transport at the edge of the SINP tokamak // Nuclear Fusion, 2003, v.43, p.622-628.

[12] E. Calderon, C. Hidalgo and M.A. Pedrosa. On the interpretation of fluctuation and E B turbulent transport measured by Langmuir probes in fusion plasmas. // Rew. of Sci. Instrum., 2004, v.75, N10, p.4293-4295.

[13] T.L. Rodes, Ch.P. Ritz, R.D. Bengston, K.R. Carter. Fast reciprocating probe system used to study edge turbulence on TEXT. // Rew. of Sci.

Instrum., 1990, v.61, N10, p.3001-3003.

[14] A.D. Beklemishev Shear Flow Effects in Open Traps. // Theory of Fusion Plasmas, AIP Cnference Proceedings, 2008, 1069, v.3-14.

Pages:     | 1 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»