НАГРЕВ И УДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3

1. 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 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

2. 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.

3. Предисловие В начале 70х годов в ИЯФ была выдвинута идея многопробочного удержания плотной горячей плазмы. Для быстрого нагрева плотной плазмы было предложено применять мощные релятивистские электронные пучки Основной целью экспериментов на установке ГОЛ-3 является подтверждение перспективности многопробочной ловушки для решения проблем управляемого термоядерного синтеза.

4. Многопробочное удержание - введение L2 L t 0 t ~ R2 = R2 li VTi li Принцип многопробочного удержания l L Пусть длина соленоида L превышает длину свободного пробега li. Если, в то же время, длина ячейки l~li , то время продольного удержания существенно увеличивается по сравнению с классической пробочной ловушкой. B max R = B min L t ~ - время удержания в соленоиде V 0 T i

5. Многопробочная ловушка ГОЛ-3

6. Генератор электронного пучка У-2 Гофрированное магнитное поле Ленточный диод Плазма Выходной узел Схема установки ГОЛ-3 • Магнитное поле • многопробочное • 55 ячеек • 4.8/3.2 Tл • Плазма • длина 12 м • 1020 - 1022 м-3 • температура ~1 кэВ • Электронный пучок • 1 МэВ • 50 кА • 8 мкс • до 300 кДж

7. Режим с гофрировкой магнитного поля на всей длине 12-метрового соленоида. L2 L t 0 t ~ R2 = R2 li VTi li B , Tл 10 5 R 6 1 0 O P 4 0 0 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 Расстояние от входной пробки (Z), м 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 увеличенав 2 раза

8. 3 - 1 м 1 2 0 1 , 0 n 0.1 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 расстояние от входной пробки, м ГОЛ-3: создание начального профиля плотности Особенностью экспериментов является высокая (для систем с магнитным удержанием) плотность плазмы (до 1022 м-3). Распределение начальной плотности дейтерия (n0). Создается системой импульсных клапанов Показано несколько типичных режимов работы установки.

9. 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.

10. Электронная температура (однородное поле) Данные диамагнитных измерений и томсоновского рассеяния 3 (0.8-1) 1015 см-3 2 Электронная температура, кэВ 1 0 2 4 6 8 1 0 1 2 Расстояние от входной пробки, м До 40% энергии пучок теряет в плазме

11. Скейлинги (однородное поле) 1. Зависимость давления плазмы от отношения плотности пучка к плотности плазмы 2. Зависимость давления плазмы от энергозапаса в пучке • 3. Увеличение эффективной частоты столкновений электронов в ~1000 раз • Подавление продольной электронной теплопроводности • Уменьшение проводимости Астрелин В.Т., Котельников И.А. и др., Звенигород,2005

12. Демонстрация эффекта подавления продольной электронной теплопроводности Te=1кэВ

13. 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.

14. Токи в плазме ГОЛ-3 Предварительные замечания • Уменьшение проводимости 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

15. Токи в плазме ГОЛ-3 -Uразр предплазма B0

16. Токи в плазме ГОЛ-3 2 ¶ I c S = I b ¶ ps D t 2 R • Уменьшение проводимости инжекция пучка и формирование обратного тока -Uразр -Uпучка B0 Пучок генерирует встречный ток (индуктивное падение напряжения на плазменном столбе!) В сечении пучка s~sclass/1000, поэтому ток пучка не компенсирован q(0)~0,3-0,5 D R

17. Токи в плазме ГОЛ-3 Генератор электронного пучка У-2 Гофрированное магнитное поле Ленточный диод Плазма Выходной узел источники тока: пучок предплазма

18. Формирование винтовой структуры магнитного поля Jout Jradial Высоковольтные электроды Вакуумная камера плазма пучок Выходной коллектор 0.5 m Выходной узел Винтовая структура магнитного поля формируется током пучка и встречным током, искусственно создаваемым в выходном узле. First information: A.V.Burdakov at al. 31st EPS Conference on Plasma Physics, London. 2004

19. Прямое измерение профиля q Layout of measurements by X-ray pinhole detector • 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 В.В.Поступаев и др.,Звенигород,2005

21. Результат измерения Реконструкция изображения Оригинальный снимок Тень от мишени Элементы конструкции выходного коллектора Изображение мишени Кадр 0.5мкс

22. Прямое измерение профиля q m q = 1 / 2 u n s t a b l e r e g i o n 1 E 5 4 0 0 O P 4 0 -1 0 1 2 3 4 r , c m ( f o r 5 T f i e l d ) Radial dependence of m m 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 В.В.Поступаев и др.,Звенигород,2005

23. Винтовая структура магнитного поля Начальное распределение тока Азимутальное магнитное поле Расчеты движения плазмы в линейной ловушке с током (применительно к ГОЛ-3) Жуков В.П. и др. Звенигород, 2005

24. Винтовая структура магнитного поля 100 200 300 1 мкс 573 500 400 Жуков В.П. и др. Звенигород, 2005

25. Влияние профиля q на удержание плазмы

26. Заключение по этой части Показано, что формирование винтового магнитного поля с широм позволяет стабилизировать плазму. Будет ли работать шир в условиях реактора с b~1 ? А.Д.Беклемишев, Звенигород 2005

27. ГОЛ-3: Нагрев и удержание ионов плазмы Эмиссия DD нейтронов. Нагрев электронным пучком Удержание Плотность дейтерия 1.910 15см-3 Z=4.3м время, мс Нейтроны выделяются на фоне более мощного потока гамма-квантов методом цифровой дискриминации по форме импульса ( стильбен +ФЭУ+АЦП200, (лаб.6))

28. 2.5 2 1.5 Ti, кэВ 1 0.5 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 время, мс ГОЛ-3: Нагрев и удержание ионов плазмы Динамика ионной температуры, измеренная по доплеровскому контуру линии Da . n=0.310 15 см-3 Время нагрева ионов много меньше времени классической передачи энергии от электронов.

29. 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.

30. ГОЛ-3: Быстрый нагрев ионов • Неоднородное магнитное поле приводит к неоднородности нагреваэлектронов 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.

31. Аксиальный профиль диамагнетизма и нейтронного потока

32. ГОЛ-3: МГД-код ISW-2 Модель предсказывает появление модуляции плотности плазмы B , T л 5 4 3 2 1 0 n , 1 0 с м 1 5 - 3 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 z , m

33. Модель предсказывает появление модуляции плотности плазмы о.е. Измерения в отдельных выстрелах Измерения профиля плотности плазмы по томсоновскому рассеянию луча неодимового лазера Флуктуации давления плазмы профиль плотности Иванцивский М.В., Звенигород,2005

34. ГОЛ-3: Нагрев и удержание ионов плазмы Эмиссия DD нейтронов. Нагрев электронным пучком Удержание Плотность дейтерия 1.910 15см-3 Z=4.3м время, мс «время установления»

35. Динамика плазмы в отдельных ячейках ловушки p l 5 8 3 8 10 BGO D0077 – diff.diam. signal b3 b b1 PWO 1 2 3 4 5 b - neutron 0.1 . u . a , D077 n5 e b1 - neutron d 0.1 0 0.5 1 1.5 u t i l p Z , m m a b3 -neutron 0.1 n5 - neutron 0.1 PWO - gammas 0.1 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 t i m e , m i c r o s e c o n d s Раположение локальных датчиков В 3-ей ячейке: Нейтронный детектор Гамма-детектор В 4-ой ячейке: Нейтронные детекторы Диамагнитная петля Waveforms ofdifferent signals, n0=1.91021 m-3 Суляев Ю.С., Звенигород,2005

36. Динамика плазмы в отдельных ячейках ловушки Нейтронный детектор n5 3-я ячейка Суляев Ю.С., Звенигород,2005

37. Динамика плазмы в отдельных ячейках ловушки Замечено: l T~ Гипотеза: «свисток» VTi Возбуждение стоячих звуковых волн в каждой ячейке при протоке плазмы сквозь многопробочную ловушку

38. Заключение по этой части Плазма в целом устойчива Наблюдается микротурбулентность, плазма самоорганизуется Для плотной плазмы в многопробочной ловушке микротурбулентности играют положительную роль

39. 2 1 n T + n T , 1 0 кэв/м3 e e i i 1.6 1.4 2004 полная гофрировка, 1.5 1021 м-3, D улучшенный нагрев, PL5871, 2.08 м 1.2 1 2002 0.8 полная гофрировка, 0.8 10 21 м-3 , D PL5221, 3.57 м 0.6 2001 гофрировка на концах по 4 м, D, 0.3 1021 m-3, PL4710, 2.08 м 0.4 1997 s d 0.2 r однородное поле, 0.9 1021 м-3 , H PL2285, 3.73 м o c e r _ a i d 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 время, мс ГОЛ-3: прогресс в параметрах плазмы Сигналы датчиков диамагнетизма (давления плазмы) для различных магнитных конфигураций

40. Заключение • Достигнута ионная температура 2кэВ: Обнаружен эффект быстрого нагрева ионов • Время жизни плазмы (0,5-1мс) соответствует расчетному для многопробочной ловушки в оптимальных условиях. • Получена величина n ~ (1.53)1012см-3·с при ионной температуре ~1кэВ. • 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 измеренарадиальная зависимость вращательного преобразования • -начаты исследования влияния винтовой конфигурации магнитного поля на удержание плазмы ГОЛ-3: Основные «термоядерные» параметры (Tiи nt) увеличены