Введение к работе
Актуальность темы. Программа работ по управляемому термоядерному синтезу важную роль отводит испытанию конструкционных материалов для термоядерного реактора. Предполагается, что материало-ведческие исследования должны проводится на установках меньшего масштаба и соответственно меньшей стоимости, чем токамаки JET и TFTR, на которых к настоящему времени достигнута мощность энерговыделения в D-T реакции, близкая к мощности, затрачиваемой на поддержание плазмы.
Как было показано В.В. Мирновым, В.П Нагорным, Д.Д. Рютовым в 1984 году, относительно простой и компактный источник нейтронов с термоядерным спектром для материаловедческих исследований может быть создан на основе газодинамической ловушки с двухкомпонентной плазмой. Основная компонента представляет собой сравнительно холодную «мишенную» плазму, находящуюся в газодинамическом режиме, характеризующемся тем, что эффективная длина свободного пробега частиц относительно рассеяния в конус потерь меньше длины установки. В мишенную плазму инжектируются нейтральные атомы, ускоренные до энергии в несколько десятков или сотен килоэлектронвольт. При СТОЛК-. новении с частицами мишенной плазмы инжектированные нейтральные атомы ионизуются и захватываются магнитным полем ловушки, образуя горячую компоненту плазмы — так называемые быстрые ионы. В первоначальном варианте нейтронного источника на основе газодинамической ловушки предполагалось, что реакция синтеза происходит при столкновении быстрых ионов трития с ионами дейтериевой мишенной плазмы. В
этом случае для обеспечения необходимой скорости D-T реакции энергия инжекции была выбрана на уровне 240 кэВ. Поскольку разработка стационарных инжекторов на такую энергию — достаточно трудная задача, позднее Д.Д. Рютовым и автором диссертации было предложено перейти к инжекции в мишенную плазму как быстрых тритонов, так и быстрых дейтонов. В такой схеме можно резко снизить требования к энергии инжекции, доведя её до значений 80 -і-100 кэВ, которые лежат в пределах досягаемости техники сегодняшнего дня. Это позволяет рассматривать всё предложение как имеющее практический характер, допускающий его реализацию в обозримый период времени.
Разработка концепции нейтронного источника потребовала решения широкого круга физических проблем как экспериментальными, так и теоретическими средствами. В диссертации излагается вклад автора в теорию магнитного удержания плазмы, включая собственно продольное удержание двухкомпонентной плазмы в открытых ловушках, её нагрев, магнитогидродинамическое (МГД) равновесие и устойчивость.
Часть решённых в диссертации задач была поставлена в ходе экспериментов на установке АМБАЛ (амбиполярная ловушка) в ГНЦ «ИЯФ им. Г.И. Будкера» и на установке ГДЛ, специально сооружённой для проверки принципа газодинамического удержания.
Целью настоящей работы является разработка теории магнитного удержания плазмы в установках типа источника нейтронов на основе газодинамической ловушки, включая теорию продольного и поперечного удержания двухкомпонентной плазмы, высокочастотного нагрева, равновесия и МГД устойчивости.
Научная новизна. Предложена концепция источника термоядерных нейтронов на основе газодинамической ловушки с одновременной инжек-цией дейтериевых и тритиевых пучков. Решён широкий круг теоретических задач, выявленных в процессе детальной проработки проекта нейтронного источника и модельных экспериментов на установках АМБАЛ и ГДЛ в ГНЦ «ИЯФ и»:. Г.И. Будкера>. Именно:
-
развита теория продольного удержания двухкомпонентной плазмы с учётом эффектов амбиполярного запирания «холодной» компоненты и нарушения адиабатичности движения частиц «горячей» компоненты вследствие дискретной структуры магнитной системы;
-
изучено влияние искажений магнитного поля и эффектов конечного /? в открытых ловушках на равновесие и поперечный перенос плазмы;
-
впервые исследовано влияние интенсивной атомарной инжекции на равновесие и МГД устойчивость плазмы;
-
построена адиабатическая теория нелинейного электронного циклотронного нагрева, исследована новая схема ионно-циклотронного нагрева, учитывающая специфические особенности газодинамической ловушки;
-
предложены и проанализированы новые методы МГД стабилизации плазмы в осесимметричных открытых ловушках.
Практическая значимость. Результаты диссертационной работы ориентированы в первую очередь на проводимые в ГНЦ «ИЯФ им. Г.И. Будкера» эксперименты на амбиполярной и газодинамической ловушках и будущие эксперименты на сооружаемом в настоящее время водородном прототипе источника нейтронов на основе газодинамической ловушке.
Анализ влияния искажений магнитного поля на поперечный перенос и равновесие плазмы может быть полезен также для иных типов установок для магнитного удержания плазмы. В диссертации содержатся рекомендации по разработке систем инжекции нейтральных атомов, при выполнении которых обеспечивается благоприятного воздействие инжекции на устойчивость плазмы.
Исследование желобковой неустойчивости закладывает основу для расчёта магнитного поля МГД устойчивой осесимметричной системы открытого типа. Некоторые из результатов анализа устойчивости в ГДЛ были использованы при проектировании ныне действующей экспериментальной модели ГДЛ и планировании экспериментов на ней.
Исследование ВЧ нагрева плазмы позволило выделить возможные схемы нагрева, которые могут быть использованы в качестве резерва улучшения параметров мишенной плазмы в нейтронном источнике.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1984-1987, 1995), на конференциях МАГАТЭ по физике плазмы и УТС (Лондон, 1984; Киото, 1986; Вашингтон, 1990), Международной конференции по ядерным технологиям (Амстердам, 1992), Европейской конференции по физике плазы и УТС (Бонермут, 1995), Международной конференции по открытым системам для термоядерного синтеза (Новосибирск, 1993), Всесоюзных совещаниях по теории плазмы (Москва, 1985,
1986), Совещаниях по открытым ловушкам (Сухуми, 1984-1986; Новосибирск, 1983, 1990), Советско-американских совещаниях по нейтронным источниках (Новосибирск, 1986, 1991), семинарах в ГНЦ «ИЯФ им. Г.И.Будкера» (Новосибирск), ГНЦ «Курчатовский институт» (Москва), Миланском университете (Милан, Италия), Институте ядерных исследований (Россендорф, Германия), Техасском университете (Остин, США). По теме диссертации опубликовано 22 работы.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и семи приложений. Текст диссертации изложен на 238 страницах, включает 39 рисунков и список литературы из 157 наименований.
