рус eng
  

Физика расширителя


Главная / Исследовательская инфраструктура и ресурсы / Уникальные стенды и установки / Установка ГДЛ / Наши результаты / Физика расширителя

Физика расширителя

Характерной особенностью большинства открытых систем является наличие устройства для расширения потока плазмы, вытекающей из ловушки. Использование такого магнитного сопла (расширителя) позволяет решить ряд физико-технических задач: снизить тепловые нагрузки на торцевую стенку, осуществить непосредственную рекуперацию энергию плазмы в электрическую и так далее. Кроме того, как показано в ряде теоретических работ, расширяющееся магнитное поле способно также подавлять электронный поток тепла между центральной частью ловушки и плазмоприёмником. К сожалению, нынешние модели плазмы в расширителе кажутся слишком упрощёнными и не могут быть применены к режимам, соответствующим крупным установкам типа нейтронного источника. В частности, требуется дальнейшее развитие электронной кинетической теории, а так же учёт баланса и динамики нейтрального газа. Физика расширителя ГДЛ изучалась экспериментально, однако при гораздо более низких параметрах плазмы, чем сегодняшние [A.V. Anikeev, et al. Plasma Phys. Rep. 25, 10, 775-782, 1999]. Таким образом, уточнение физики продольного удержания электронов в открытой ловушке является важным с точки зрения будущих приложений.

В недавних экспериментах на установке ГДЛ для подавления поперечных потерь плазмы, возникающих при развитии МГД неустойчивостей, был использован достаточно хорошо обоснованный теоретически и экспериментально метод вихревого удержания [A.D. Beklemishev, et al. Fusion Science and Technology, v.57, p 351 (2009)]. Этот метод позволил достичь рекордных для осесимметричных пробкотронов значений относительного давления плазмы beta=0.6. Также в ходе последних экспериментов с дополнительным нагревом плазмы микроволновым излучением на электронном циклотронном резонансе (ЭЦР) удалось получить электронную температуру, превышающую 0,6 кэВ, что является на сегодняшний день рекордом для осесимметричных открытых магнитных ловушек [P.A. Bagryansky et al., Phys. Rev. Lett. 114, 205001 (2015)]. Эти достижения выводят на конкурентоспособный уровень проекты нейтронных источников на основе осесимметричных пробкотронов – их ближайшего реакторного приложения. Таким образом, появляется возможность прямой экспериментальной проверки таких проектов с тем, чтобы экстраполировать полученные результаты для термоядерных реакторов будущего.

В рамках поставленной задачи предполагается существенно расширить экспериментальную базу, необходимую для построения теории продольного удержания электронов в открытой ловушке. Для реализации этих задач предполагается провести цикл экспериментальных работ на установке газодинамическая ловушка (ГДЛ) в ИЯФ СО РАН, включающий в себя следующие этапы:

  • 1. Измерение электрического потенциала, средней энергии и плотности электронов в расширителе как функций координаты вдоль магнитной силовой линии при высокой температуре электронов в центре ловушки (> 200 эВ). Эти данные будут использованы для проверки кинетической электронной модели.
  • 2. Определение минимальной степени расширения, необходимой для подавления электронной теплопроводности из открытой ловушки. Степень расширения может изменяться путем изменения профиля магнитного поля или при помощи подвижной центральной части торцевой стенки.
  • 3. Изучение типов электромагнитных колебаний в расширителе. Этот вопрос представляет интерес, поскольку некоторые теоретические работы предсказывают развитие неустойчивостей, подобных двухпучковой, которые подавляют потоки холодных электронов из расширителя в центральную ячейку.

Следует отметить, что физика расширителя для разных вариантов открытых ловушек представляется довольно схожей. Поэтому предлагаемые исследования, выполненные на ГДЛ, могут быть полезны для широкого круга проектов.

Согласно плану модернизации установки ГДЛ в рамках проекта совместно с конструкторским бюро ИЯФ СО РАН разработана диагностика для измерения пространственного распределения плотности потока частиц и энергии, а также электрического потенциала на поверхности торцевых поглотителей плазмы.

Разработан и передан в производство новый поглотитель плазмы для расширителя ГДЛ с вмонтированной в него системой датчиков (рис.1).


Рис. 1. Торцевой бак ГДЛ с новым приемником плазмы. 1 – основной диск поглотителя плазмы, 2 – датчики, 3 – опоры плазмоприемника, 4 – защитные экраны, 5 – проходные изоляторы


Приемник плазмы (1) выполнен из трех частей – центрального диска и двух колец, изготовленных из нержавеющей стали и покрытых слоем листового молибдена для борьбы с дугообразованием. На плазмоприемнике расположена 21 группа датчиков (2) по 3 штуки в каждой группе: болометр, датчик потока ионов и измеритель полного тока плазмы. Приемник плазмы крепится к заднему фланцу расширительного бака ГДЛ на трубчатых опорах (3). Для защиты плазмоприемника от униполярных дуг с задней стороны предусмотрены дополнительные пластины (4), разделенные проходными керамическими изоляторами (5). Эти пластины будут находиться под плавающим потенциалом, в то время как сам плазмоприемник сможет удерживать напряжение до 500 В.

Датчики для измерения параметров плазмы расположены крестообразно, их входные апертуры имеют наклон относительно плоскости плазмоприемника в соответствии с кривизной магнитных силовых линий, упирающихся в его поверхность. Угол наклона апертур растет с радиусом плазмоприемника (рис.2).



Рис.2. Расположение датчиков на плазмоприемнике


На рис. 3 показан в разрезе датчик потока энергии – болометр. Его основным рабочим элементом является тонкая посеребренная таблетка из титаната бария – пироэлектрической керамики, генерирующей ток при попадании на ее поверхность потока энергии. Таблетка закрыта от колебаний потенциала плазмы тремя молибденовыми сетками высокой прозрачности и изолирована от корпуса датчика капролоновой подложкой. Для нивелирования акустических помех предусмотрена система демпфирования из вакуумной резины и стальной пружины. Усилитель сигнала расположен непосредственно в корпусе датчика во избежание дополнительных электрических помех.



Рис. 3. Болометр: 1 – экранирующие сетки, 2 – пироэлектрическая керамика, 3 – капролоновый держатель, 4 – вакуумная резина, 5 – пружина, - 6 – проводник, 7 – плата усилителя.


Датчик потока ионов показан на рис. 4. Входной электрод с отверстием диаметром 2 мм находится под потенциалом корпуса, на расстоянии 1 мм от него вытягивающий электрод с отверстием того же диаметра находится под высоким потенциалом порядка - 1.5 кВ и вытягивает из плазмы ионы, отражая электроны. На коллектор подается отрицательное напряжение на несколько сотен вольт меньше по номиналу – для устранения влияния вторичной электронной эмиссии с коллектора. Электроды и коллектор имеют обтекаемую форму во избежание краевых пробоев. Керамические изоляторы выполнены из керамики.

Болометр и датчик потока ионов, работая одновременно, способны измерить величину энергии, приходящуюся на одну электрон-ионную пару, покидающую ловушку вдоль магнитного поля.



Рис. 4. Датчик потока ионов: 1 – входной электрод, 2 – вытягивающий электрод, 3 – коллектор, 4 – изоляторы.


Третий датчик, дополняющий каждую группу – датчик полного тока плазмы (рис. 5). Этот простой датчик представляет собой изолированный плоский коллектор, ток с которого регистрируется через маленькое шунтовое сопротивление. Этот датчик предназначен для изучения баланса токов в ГДЛ.



Рис. 5. Датчик полного тока плазмы: 1 – коллектор, 2 – лепесток для снятия сигнала, 3 – изоляторы

Просмотров: 851
Сохранено: 20.10.2015



Наши результаты



Пожалуйста подождите...
Операция успешно завершена.

ОШИБКА!