Экспериментальное исследование пучков быстрых атомов водорода и дейтерия для нагрева плазмы в сферическом токамаке Глобус-М

• Автор: Барсуков, Александр Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 133 с. : ил.

Экспериментальное исследование пучков быстрых атомов водорода и

Экспериментальное исследование пучков быстрых атомов водорода и дейтерия и их применение для нагрева плазмы в сферическом токамаке Глобус-М
Глава 1. Анализ процессов формирования и транспортировки атомного пучка
1.1. Взаимодействие атомного пучка с плазмой токамака
1.2. Формирование интенсивного ионного пучка
1.3. Нейтрализация ионного пучка
1.4. Транспортировка пучка
Глава 2. Исследования характеристик инжектируемого пучка
2.1. Ионные источники
2.2. Источник ИПМ
2.3. Источник ИПМ
2.4. Оптимизация параметров атомного пучка
Глава 3. Инжектор установки Глобус-М
3.1. Конструкция и устройство инжектора
3.2. Система электропитания
3.3. Система управления и сбора данных
Глава 4. Технология подготовки инжектора
4.1. Методика подготовки ионных источников
4.2. Вывод инжектора на рабочий режим
Глава 5. Результаты по нагреву плазмы в установке Глобус-М
Заключение
Литература
Исследования в области управляемого термоядерного синтеза ставят многочисленные физические и технические задачи. Одной из самых сложных проблем, с которой сталкиваются при получении устойчивой, долгоживущей горячей плазмы, - это проблема введения в плазму мощности, необходимой для нагрева плазмы до термоядерной температуры, которая безусловно должна превышать мощность потерь из плазмы.
В установках токамак естественный нагрев плазмы осуществляется за счет джоулевого энерговыделения при протекании по плазменному шнуру тока большой величины. Однако, электрическое сопротивление плазмы с ростом температуры уменьшается (Я~ Т~32) и, соответственно, плотность мощности омического нагрева (Рп=/В) падает при увеличении плотности тока за счет роста температуры. Кроме того, имеются ограничения на полный ток ./ в плазме, обусловленные критерием устойчивости Крускала-Шафранова, который гласит, что величина аВ^ЯоВ9 не может быть менее 2 ввиду возникновения в плазменном шнуре МГД-неустойчивостей. В этой формуле Яо и а - размеры шнура, Вт — тороидальное магнитное поле, В9 -магнитное поле, создаваемое током плазмы Уна краю шнура.
Ввиду сказанного омический (джоулев) нагрев плазмы становится малоэффективным при температурах выше нескольких кэВ, тогда как для зажигания термоядерной реакции требуются температуры свыше 10 кэВ. Следовательно, для того чтобы нагреть плазму до температуры зажигания, должны быть использованы дополнительные методы нагрева.
В настоящее время применяются различные способы получения высокой температуры плазмы. При этом нагрев плазмы инжекцией пучков быстрых атомов (нейтральная инжекция, №31 - в общепринятом английском сокращении) позволил на ряде установок токамак достичь температур в десятки кэВ. Эффективен также нагрев плазмы высокочастотными
электромагнитными волнами в нескольких частотных диапазонах (ЭЦР, ИЦР, ИГР).
Инжекционный метод нагрева плазмы базируется на взаимодействии высокоэнергетичного атомного (водородного, дейтериевого или тритиевого) пучка с частицами плазмы. Получение атомного пучка возможно по двум схемам - через положительные или отрицательные ионы. В диссертационной работе рассмотрены ключевые положения метода нагрева плазмы на основе прямой перезарядки положительных ионов. Он предполагает генерацию пучка быстрых положительных ионов и последующее их нейтрализацию на газовой мишени. Формирование пучка быстрых ионов происходит при электростатическом ускорении ионов, образованных в газоразрядной плазме ионного источника.
Принципиальными моментами этого метода являются:
- формирование высокоэнергетического ионного пучка;
- преобразование ионного пучка в атомный;
- транспортировка атомного пучка по тракту через магнитное поле в плазму;
- взаимодействие высокоэнергетических (быстрых) атомов с плазмой и захват пучка;
- взаимодействие захваченных в плазменный шнур быстрых ионов с тепловым электронам и ионам плазмы (термализация).
Ионные источники положительных ионов, применяемые в современных системах инжекции, различаются способом создания газоразрядной плазмы - эмиттера ионов. Среди них можно выделить следующие основные типы: дуоплазмотрон и его модификации: дуопигатрон [75-77,] и периплазматрон [78,79], источник без внешнего магнитного поля (ИБМ) [80-82] и источник с периферийным или мультипольным магнитным полем (ИПМ) [83-86]. В данной работе подробно описаны и исследованы

Табл.З. Характеристики ионных источников:

Модель источника ИПМ-1 ИПМ
Мощность пучка ионов: Водород Дейтерий до 1,8 МВт до 1,3 МВт до 1,0 МВт до 0,75 МВт
Расход рабочего газа 10-12 л*торр/с 5-7 л»торр/с
Ускоряющее напряжение до 30 кВ
Напряжение отрицательного электрода до 3,0 кВ
Ток ионного пучка на водороде до 60 А до 35 А
Ток ионного пучка на дейтерии до 45 А до 25 А
Плотность ионного тока на водороде до 0,5 А/см2
Плотность ионного тока на дейтерии до 0,37 А/см2
Газовая эффективность до 50 %
Размер газоразрядной камеры 20x33x13 см 20x28x13 см
Площадь катода 45 см2 (18 шт.) 38 см2 (14 шт.)
Начальный размер пучка 12x25 см 8x17.5 см
Размер пучка (1/е) на приемнике 6.6x19.5 см * 4x16 см
Площадь эмиссионной поверхности 144 см2 67 см2
Промежуток между ЭЭ и ОЭ 0,4 см 0,35 см
Количество решеток в электродах 5 шт. 3 шт.
Количество щелей в решетках 12 шт. 14 шт.
Прозрачность щелевой оптики 48%
Фокусировка пучка: горизонтальная (изгиб решеток) вертикальная (смещения решеток) 3.0 м 3.5 м 2.5 м 2.5 м
Угол расхождения пучка: горизонтальный (вдоль щелей) вертикальный (поперек щелей) ±0.6° ± 1.5°
Длительность импульса пучка до 100 мс
Пауза между импульсами не менее 1 мин
Ток накала катодов 1200 А 950 А
Напряжение накала катодов 10.5 В
Ток разряда До 1400 А до 1200 А
Напряжение разряда до 70 В
Ток нагрузки отрицательного электрода до 5 А
Содержание компонент Н1+/Н2+/Нз+ (при плотности тока 0.45 A/cm2) 75%/18%/7%
*Ускоряющее напряжение 23 кВ, режим не оптимизирован.