Введение к работе
Актуальность темы. Исследования по програше управляемого термоядерного синтеза, в космосе и в магнитосфере Земли показали, что в целом ряде случаев представления о процессах переноса плазмы, основанные на теории парных кулоновских столкновений, оказываются недостаточными при объяснении результатов экспериментов. Наблюдающиеся отклонения от "классических" представлений обусловлены механизмами, связанными с коллективными движениями в плазме, то есть с такими процессами, при которых изменения траекторий заряженных частиц происходит, в основном, в результате воздействий электрических и магнитных полей колебаний плазмы. Выяснение природы коллективных свойств плазмы представляет интерес для развития методов нагрева и удержания плазмы, коллективных методов ускорения заряженных частиц, генерации коротковолнового излучения и т.д. Применительно к тороидальным квазистационарным системам магнитного удержания особый интерес в настоящее время представляют проявления коллективных свойств токонесущей плазмы. К ниц относятся: равновесие и !Щ устойчивость "тороидальной плазмы, аномалия электропроводности и турбулентный нагрев плазмы, коллективный перенос плазмы поперек магнитного поля, генерация примесей при наличии флуктуирующих электрических полей в периферийной плазме.
Цели и задачи исследований. Диссертация посвящена систематическому изучению коллективных процессов, возбуждающихся в плазме токового разряда в тороидальных магнитных ловушках, и их влияния на коэффициенты переноса. В ней рассматриваются:
- возможности создания термоядерного реактора на основе
стеллараторных магнитных систем;
характеристики иагнитной конфигурации стелларатора и влияние на них плазменного тока;
равновесие токонесущей плазш в стелларатора;
возбуждение мелкомасштабной неустойчивости плазмы токового разряда, приводящей к аномалии ее электропроводности;
турбулентный нагрев плазмы током;
генерация быстрых ионов, подавление и срыв убегания электронов в тороидальном турбулентной токовой разряде;
возбуждение длинноволновых дрейфовых колебаний и их влияние на перенос плазмы токового разряда в стеллараторе;
механизмы эрозии первой стенки плазмой токового разряда
в стелларатора и методы минимизации потоков примесей в плазму. '
На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну полученных в диссертации результатов и отвечающие новому перспективному научному направлению в области физики плазмы - исследование коллективных взаимодействий в тороидальной плазме токового разряда:
-
Возмущения магнитной конфигурации стелларатора большими плазменными токами (сравнимыми с токами Шафранова-Крускала) или плазмой конечного давления ( б 9 ре ) приводит к ее перестройке, результатом чего является перестройка профилей распределения плотности и значительное увеличение скорости потерь плазмы.
-
При увеличении напряженности электрического поля и тока в незаыагниченной плазме токового разряда в стеллараторе выше некоторой критической величины в ней возбуждаются ионно-звуко-вые колебания, которые приводят к повышению сопротивления плазмы и аномально высокой диссипации энергии тока на этом сопротивлении. Б токовом разряде в надкритических электрических полях происходит быстрый нагрев электронного компонента незамагниченной
плазмы с образованием высокоэнергетичных "хвостов" в раопреде-
> лениях электронов и ионов по энергиям.
3. В замагниченнрй плазме токового разряда рост напряженнос
ти электрического поля приводит (как и для незаыагничбнной плаз
мы) к повышение ее сопротивления и увеличению эффективности
диссипации энергии тока. Имеется две области электрических по
лей» в которых зависимости аномалии электропроводности от напря
женности электрического поля различаются. Наличие аномалии
электропроводности замагниченной плазмы позволяет осуществлять
ее турбулентный нагрев током с эффективностью более высокой, чем в режиме обычного омического нагрева.
-
В замагниченной плазме токового разряда в отеллараторе с повышением электрического поля выше порогового значения процесс убегания электронов ограничивается. Дальнейшее увеличение электрического поля в плазме приводит к полному срыву ускорения электронов.
-
Возбуждаемые в плазме токового разряда дрейфовые колебания приводят к аномально высокому переносу частиц и тепла поперек магнитного поля в отеллараторе.Стабилизация этих колебаний тиром и уменьшение тока разряда в отеллараторе приводит к уменьшению аномалии переноса.
-
Наиболее сильным механизмом поражений первой стенки плазмой в отеллараторе является униполярное дугообразование, возникающее из-за наличия флуктуирующего электрического поля в . области контакта плазмы со стенкой. Локализация поражений стенки за счет указанного механизма и массоперенос эродированного при этом материала определяются особенностями магнитной конфигурации стелларатора. Процесс дугообразования и, соответственно,
5 '
нотой металлических принесofi в плавну существенно подавляется подборой покрытия первой стенки, что обеспечивает реализацию разрядов в стелдаратораых снетешах бег деградации параыехров плазин во времени.
Научная и практическая ценность работы, .
В диссертации впервые исследованы проявления коллективных свойств токонесущей плазш в тороидальных магнитных ловушках: К шш относятся:
экспериментальное обнаружение предела газокинетического давления плааїш по равновесии в стеллараторе;
открытие и исследование явления турбулентного нагрева и аномального сопротивления плазш в слабой магнитной поле;
экспериментальное обнаружение и изучение эффекта аномалии сопротивления замагниченной плазш;
експериментальная демонстрация возможности использования ховового турбулентного нагрева для получения высокотемпературной плагмы в стеллараторе;
открытие н исследование явления ограничения и срыва ускорения электронов заыагниченной плазмы в сильных электрических полях;
экспериментальное установление связи аномалии переноса токонесущей плазмы в стеллараторе с развитием дрейфовой неустойчивости;
экспериментальная демонстрация уменьшения переноса плазмы поперев магнитного поля в стеллараторе при уиеньшении тока омического нагрева;
экспериментальное установление связи локализации поражений пергой стенки стелларатора плазмой с особенностями его
.магнитной конфигурации. 6
В целом в диссертационной работе проведены исследования основных физических процессов, с которыми приходится сталкиваться при использовании токового^ нагрева пдазші в замкнутых магнитных ловушках. Ряд полученных результатов носит.-, универсальный характер. Некоторые из них оказались полезными для понимания физических процессов, происходящих в магнитосфере Земли п в космическом пространстве, в обжимаемых лазерным излучением п электронными пучками оболочках,в плазменных генераторах излучений и т.д.
Результаты проведенных в диссертации исследований и выводы получили подтверждение в ряде последующих экспериментов, выполненных как в СССР, так и за рубежом, а так se стимулировали ряд теоретических исследований.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в дальнейших экспериментах по магнитному и инерциальному синтезу.
Апробация результатов работы. Все основные результаты диссертации докладывались на конференциях МАГАТЭ и Европейских конференциях по физике плазмы и УТС {Новосибирск, 1968 г.; Мэдисон, 1971 г.; Лозанна, 1975 г ; Прага, 1977 г. ; Оксфорд, 1979 г.; Аахен, 1983 г.; Киото, 1986 г.; Ницца, 1988 г.), на Международной конференции по удержанию плазмы в замкнутых системах (Дубна, 1969 г.), на 3-ем Международном симпозиуме по тороидальному удержанию плазмы (Гархинг, 1973 г.), на 3-ей Международной стел-лараторной рабочей группе (Москва, 1981 г.), на Международной конференции по физике плазмы (Киев, 1987 г.), на Всесоюзных конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1977, 1981, 1985 гг.), на Всесоюзных конференциях по физике горячей плазмы и УЗЕ (Звенигород, 1975-1989 гг.)
опубликованы в периодической научной печати, монографиях "Коллективные явления в токонесущей плазма" и "Стелларатор" и открытии "Явление зурбулентного нагрева и аномального сопротивления плазмы" (Диплом № 112).
Структура диссертации. Диссертация состой из введения, пяти глав основного текста и заключения - всего 242 страницы машинописиого текста, в гом числе 98 рисунков. Библиография включает 200 наименований.
с. КРАТКОЕ СОДЕРШИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении изложены соображения о возможности создания термоядерного реактора на база стеллараторных систем, определены наиболее важные задачи исследований по стелпараторному направлению, обоснована актуальность темы диссертационной работы, кратко изложено содереание диссертации, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Б первой главе дано описание экспериментальных установок - стеллараюров "Сі риус" и "Ураган" и торсатрона "Винт-20У на которых получены основные результаты. Рассмотрены три схемы нагрева, позволившие создавать токовые разряды при нап-рякенностях электрических полей в плазме от 0,01 до 20 В/см, Приведено краткое описание использованной диагностической аппаратуры.
На основе результатов экспериментальных исследований вакуумной магнитной конфигурации при помощи электронных пучков получены основные характеристики магнитных систем использованных экспериментальных установок.
Обсуждены теоретические подходы к оценке равновесного
газокинетического давления плазмы в стеллараторных системах. 8
Приведены экспериментальные результаты изучения равновесия плазмы в сгеллараторе "Сириус". В частности, на основе измерений скорости распада плазмы, ее энергосодержания и профилей распределения концентрации электронов по радиусу были разграничены, два режима работы. В первом из них энергосодержание плазмы возрастало с увеличением вкладываемой в разряд мощности, а время распада плотности было пропорционально напряженности магнитного поля. Распределение концентрации электронов по радиусу плазменного шнура было в этом случае симметричным относительно магнитной оси системы. Во втором случае величина $> достигает насыщения, постоянная распада плотности не зависит от В0 , а распределение Vie(г) становится несимметричным - плазменный шнур расслаивается и сдвигается к наружной стенке вакуумной камеры примерно на половину его радиуса. Разграничение этих режимов на стеллараторе "Сириус" происходило при величине в » (If5* +3).10 , которая находилась в хорошем соответствии (в пределах множителя 2 2) с теоретической оценкой J>z по сдвигу плазменного шнура на расстояние равное половине его радиуса.
В этой серии экспериментов было обнаружено также увеличение энергетического времени жизни плазмы с уменьшением тока омического нагрева.
Далее обсуждены вопросы искажения магнитной конфигурации стелларагора большими токами в плазме. Измерения профиля концентрации плазмы на стеллараторе "Сириус", выполненные при малых плазменных токах (3^ I кА), показали, что он соответствует распределению пе(г)=Пе(о)[і-(і7Йо)т] с т в 2*3. Аналогичные измерения при больших токах { J = ЗН кА) обнаружили расслоение плазменного шнура - наблюдались три области с повышенной концентрацией вокруг магнитной оси стелларатора и такая же
область на самой оси. Расчеты с использованием измеренного распределения плотности тока і(г) позволили объяснить этот эффект как следствие образования розеточной структуры. Для стедларатора с малым углом вращательного преобразования токи, при которых образуется подобная структура, оказываются близкими к критическому току Шафранова-Крускала.
Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований аномалии электропроводности плазмы и ее токового турбулентного нагрева в стеллараторных системах. Во вводном параграфе кратко изложена история изучаемого вопроса. Далее описываются эксперименты, связанные с исследованием аномалии электропроводности незамагничанной плазмы. При измерениях электропроводности такой плазмы в зависимости от отношения приложенного электрического поля, , в критическому поле Драйсера, Ej>r * быиа прослежена вполне определенная ее эволюция. В области Е *- 0,02 Е1г электропроводность плазмы растет с повышением электрического поля. Не наблюдается различий в измерениях температуры плазмы по ее проводимости и диамагнитному эффекту и нагрев соответствует классическому омическому нагреву. При Е > 0,02^3,. появляется аномалия электропроводности. Наблюдаются различия в измерениях температуры плазмы по проводимости и диамагнетизму. Плазма становится источником интенсивного микроволнового излучения. При Е > 0,2Ли зависимость 6 ( E/E^ ) выходит на плато и электропроводность плазмы практически не изменяется вплоть до * (1,5*2) Е> . Сохраняется разница в измеренных по проводимости и диамагнетизму величинах температуры и СВЧ активность плазмы. Появляется мягкое рентгеновское излучение. Токовая скорость электронов
ограничивается на уровне скорости ионного звука. Увеличение 10
t > 1,5E$r приводит еще к одному спаду б и появления жесткого рентгеновского излучения на начальной стадии разряда.
При изучении заыагниченной плазмы было показано, что при повышении электрического поля в плазме скорость ее нагрева увеличивается при практически "заморозеннои" токе. Прп Е " г.НГ^Бр,. температура плазш, определенная по диамагнитному эффекту, TD , совпадает с вычисленной по проводимости, TV , при Е » 2.10"^ Ej,- наблюдается различив, возрастающее с увеличением Е/1(.. Вместе с возрастанием Tj/lV увеличивается сопротивление плазменного шнура. Измерения величины тока, выполненные при фиксированных значениях пе и В0 в зависимости от напряжения на обходе стелларатора, показали, что с повышением Е он сначала растет, затем начинает убывать, а при дальнейшем увеличении электрического поля стремится к насыщению. Величина б падает с ростом Е и при Е > 0,2 В/см б ~ I/B . Скорость токового дрейфа электронов U в области малых электрических полей быстро растет с увеличением Е , а при переходе к большим Е рост и. ограничивается. При Е > Ер», величина токовой скорости в заыагниченной плазме стабилизируется на уровне ц * (10*15)it ,
СЛАБЫ*
т.е. на более высоком, чем в случае ^магнитных полей. Отношение проводимости, вычисленной по температуре плазш, полученной из диамагнитных измерений в предположении только парных кулоновских столкновений, к ее экспериментально измеренному значению, бСг/о , прямо пропорционально Е /Ej>h , если ^1 j>r » ЛРИ меньших значениях Е наблюдается зависимость бст/б-іЕ/Е^)1/2.
Эксперименты на стеллараторе "Сириус" показали, что в за-магниченной плазме имеется возмокность быстрого нагрева элект-
ронного компонента плазиы с плотностью пе - 2. IO^+I.IO13) см " током за времена At *= 100 икс до температуры \ = 0,5 кэВ при сравнительно малых напряженностях электрического поля в плазме Е ~ I В/см.
Корпускулярные измерения показали, что энергетический спектр ионов в плазме токового турбулентного разряда состоит из двух компонентов: основной массы ионов со средней энергией значительно меньшей Ті. и группы ионов со средней энергией порядка Те. . При постоянном Ве средняя энергия высоко-знергетичной части распределения ионов растет с увеличением Е/Ер,. и достигает насыщения при Е/Е^,.' 20. Увеличение В. при /d»-= Co"s"t ведет к росту этой средней энергии. Обнаружено, что имеется слабая линейная зависимость средней скорости высокоэнергетичных ионов от величины скорости распространения ионного звука. С ростом Вс возрастает количество быстрых ионов и, соответственно, энергосодержание ионного компонента в "хвосте" функции распределения.
Далее обсуждаются результаты исследований ускорения электронов в плазме токового разряда. Показано, что в области малых
Е і когда разряд можно описать классической формулой Спиг-цера, в нем наблюдается рост энергии и увеличение потока ускоренных электронов с увеличением Е в плазме. В области электрических полей 5.I0~2EJ(.< Е * Ю-1ЕЭ>. , где эффективная частота столкновений незначительно превосходит кудо-новскую, наблюдается ограничение процесса ускорения. Наконец, при электрических полях Е 3" phJ когда эффективная частота намного превышает кулоновскую, был обнаружен эффект полного срыва процесса ускорения электронов.
Большой интерес представляет вопрос об ограничении скорости токозого дрейфа электронов в токонесущей плазме. При превышении порогового значения . Е токовая скорость электронов стабилизируется на уровне и ~1^ в случае слабого магнитного поля и U « (10*15) 1)*Ь - в случае сильного. В последнем случае величина u/i7Te медленно нарастает с увеличением отношения циклотронной и ленгмюровской частот и/іГт,~(а>ьс/Ц,4;
Третья глава посвящена анализу возможных механизмов аномалии электропроводности плазмы в тороидальном токовом разряде. Рассмотрены различные процессы и конкретные типы неустойчи-востей, которые могут привести к появлению аномалии в замкнутых магнитных ловушках. Сформулированы основные выводы экспериментальных исследований аномалии электропроводности плазмы и ее токового турбулентного нагрева. Указаны вопросы, которые необходимо выяснить для понимания физики изучаемых процессов. Далее приводятся результаты измерений спектров возбуждаемых в плазме колебаний, величины микрополей и относительного уровня ее турбулентных шумов. В спектре колебаний хорошо выделены две области частот. Верхняя из этих частот соответствует ионной плазменной частоте сі)р; , нижняя изменяется в пределах 0,l(t)pl * ей 0,3 о)р1' . Относительный уровень шумов составляет величину от ЗЛО"* до 2,5.10 в зависимости от параметров плазмы, что соответствовало напряженности микрополей в несколько киловольт на см. Обнаружено, что относительный уровень турбулентных шумов :-, плазмы, пронормированный на ее электронную циклотронную частоту, пропорционален сопротивлению плазмы.
Перечисленные данные позволили сделать вывод об основной роли ионно-звуковой неустойчивости в развитии токового турбулент-
ного разряда. На основе этого вывода с привлечением модели изотропизации энергии ускоренных электронов удалось объяснить наблюдаемые экспериментально зависимости параметров плазмы от напряженности электрического и магнитного полей.
Далее описан эксперимент по обнаружению аномалии электропроводности плазмы токового разряда при электрических полях
Е 2 10 Е^ , связанный с запиранием электронов в неодно-родностях магнитного поля тороидальной ловушки. Такая аномалия была обнаружена на торсатроне "Винт-20" с винтовой неоднородностью ^ = 0,65 и достигала величины -8.
Обсуждены результаты экспериментальных исследований ограничения и срыва ускорения электронов в токовом турбулентном разряде. Показано, что с ростом коллективной частоты столкновений, 1КкА , ПрОЦеСС уСКОреНИЯ ИЗЫеНЯеТСЯ. При Лг >~*квл
наблюдается рост интенсивности и энергии рентгеновского излучения с повышением электрического поля в плазме. При -)><г ~ -^ поток и энергия ускоренных электронов ограничиваются, а когда ^кса >'^«т , процесс ускорения быстро подавляется с ростом -$ісол .
В заключение главы обсуждены возможные механизмы генерации высокоэнергетичных ионов в плазме токового турбулентного разряда.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований переноса частиц и тепла плазмы токового разряда поперек магнитного поля в стеллараторе. Во вводном параграфе изложены предпосылки изучения коллективных процессов как возможного механизма аномально высоких потерь плазмы. Далее излагаются результаты исследований низкочастотных колебаний параметров плазмы в стеллараторе "Сириус". Показано, что амплитуды колебаний плавающего потенциала, плотности и элекг-14
рического поля оказываются максимальными в области градиента плотности плазмы, а частота их~Тс/В0 . Определены моды колебаний и зависимость их азимутальной скорости распространения от параметров плазмы. Указанные данные в сочетании с измерениями взаимной корреляции вдоль и поперек В<, позволили идентифицировать наблюдаемые колебания как дрейфовые.
Исследования скорости распада плазмы токового разряда в зависимости от величин шира,S , и угла вращательного преобразования, -t , на стеллараторе "Ураган" показали, что аномалия потерь уменьшается с увеличением этих параметров магнитной конфигурации. В оптимальных условиях были достигнуты величины Ти ^ 30 Тв { Т6 - бомовское время распада), а зависимость ^п(Вь) изменялась с ростом -t и 6 от линейной до квадратичной. Проведенные оценки позволили объяснить полученные результаты на основе модели дрейфово-диссипативной неустойчивости.
На стеллараторе "Сириус" были выполнены измерения скорости распада плазмы и ее флуктуационных потерь на стадии выключения тока омического разряда, которые показали, что с уменьшением тока флуктуационные потери плазмы падают, а наблюдаемая скорость потерь приближается к рассчитанной теоретически.
Таким образом было выяснено, что снижение тока в плазме и увеличение -t и 5 приводит к уменьшению аномалии переноса частиц, вызванной раскачкой дрейфозой неустойчивости.
Далее изложены результаты изучения термоизоляции пдазмы токового разряда в стеллараторе. На установке "Ураган" было показано, что как параметры плазмы, так и энергетическое время ее жизни улучшаются с увеличением полоидального компонента магнитного поля ловушки.
На стеллараторе "Сириус" исследования термоизоляции плазмы токового разряда, проведенные в широкой области изменения ее параметров, позволили установить, что в зависимости от соотношения между скоростью токового дрейфа электронов, продольной скоростью дрейфовой водны и скоростью ионного звука могут реализоваться два рекиыа тепловых потерь.
Пятая глава посвящена изучению взаимодействия плазмы с поверхностью первой стенки в стеллараторе. Эта задача возникла в хвязи с разработками торсатронных ловушек с дивертором. .
Обнаружен и исследован один из наиболее сильных механизмов эрозии стенки плазмой - механизм униполярного дугообразо-вания. Показано, что возникновение униполярных дуг обязано наличию флуктуирующих электрических полей. Обнаружено, что локализация поранений стенки плазмой и массоперенос материала стенки в стеллараторе определяются его магнитной конфигурацией.
Сравнительные исследования дугообразования на различных материалах и покрытиях показали, что этот механизм эрозии можно сильно ослабить путем использования дугостойких покрытий. Применение в торсатроне "Ураган-3" ВЧ антенны с покрытием из нитрида титана позволило почти на два порядка снизить поток тяжелых примесей в плазму по сравнению со случаем использования антенны из нержавеющей стали. В результате этого на торсатроне "Ураган-3" был получен квазистационарный режим работы при ВЧ нагреве плазмы без деградации ее параметров.
На установке "Викт-20" показано, что изменение тока в плазме в торсатронной ловушке приводит к перемещению дивертор-ного потока, что необходимо учитывать при разработке торсатронных систем с дивертором.
