рус eng
  

Описание установки ГОЛ-3


Главная / Исследовательская инфраструктура и ресурсы / Уникальные стенды и установки / Установка ГОЛ-3 / Описание установки ГОЛ-3

Описание установки ГОЛ-3

Идея многопробочного удержания плазмы предложена в 1971 г. Г. И. Будкером, В. В. Мирновым и Д. Д. Рютовым. Многопробочная ловушка – это набор соединенных пробкотронов, формирующих гофрированное магнитное поле. В такой системе заряженные частицы разбиваются на две группы: захваченные в одиночных пробкотронах и пролётные, попавшие в конус потерь одиночного пробкотрона. Если длина пробега частиц меньше размера ловушки, то при движении пролетных частиц через пробкотроны они начинают испытывать силу трения со стороны захваченных, что резко замедляет скорость разлета плазмы: вместо прямолинейного разлета движение частиц становится диффузионным.

 

 

Рис. 1.  Гофрированное магнитное поле многопробочной ловушки.

 

Время удержания плазмы в такой системе значительно возрастает по сравнению с разлетом плазмы в негофрированном соленоиде:

[math] \tau \simeq R^{2} \frac {L^{2}}{\lambda_{i} v_{Ti}} = R^{2} \frac {L}{\lambda_{i}} \tau_{0}, [/math] 

где [math] \tau_{0} = L / v_{Ti}[/math]– время разлета плазмы в соленоиде длиной L, R  – пробочное отношение.

В 1972–1973 гг. в Институте ядерной физики СО РАН была создана установка «ЩЕГОЛ», эксперименты на которой подтвердили справедливость идеи многопробочного удержания. В это же время в ИЯФ начались первые в мире эксперименты по нагреву плазмы релятивистскими электронными пучками (установки ИНАР, затем ГОЛ-М). Дальнейшее развитие этих двух идей позволило создать в ИЯФе многопробочную ловушку ГОЛ-3.

Установка ГОЛ-3 состоит из трёх частей: ускорителя У-2, основного соленоида и выходного узла. У-2 вытягивает из взрывоэмиссионного катода и ускоряет в ленточном диоде электроны до энергии порядка 1 МэВ. Созданный мощный (до 50 кА) релятивистский пучок сжимается и инжектируется в основной соленоид, где в дейтериевой плазме с плотностью n = 1014 – 1016 частиц в кубическом сантиметре вследствие развития двухпотоковой неустойчивости возникает большой уровень микротурбулентности и пучок теряет до 40% своей энергии, передавая её электронам плазмы. Особенностью пучково-плазменного взаимодействия является высокий уровень турбулентности, что приводит к сильному (более 103 раз) подавлению электронной теплопроводности. Это не даёт электронам плазмы остыть на торцах установки. Темп нагрева очень высокий – за 3 – 4 мкс плазменные электроны нагреваются вплоть до температуры T ~ 5 кэВ, что является мировым рекордом для открытых ловушек. После окончания инжекции пучка (12 мкс) теплопроводность становится классической и электроны быстро остывают.

 

 

Рис. 2.  3D-макет установки ГОЛ-3.

 

Релятивистским пучком ионы не нагреваются, пока экспериментально не был открыт механизм быстрого нагрева ионов (~2003 год). Основной 12-метровый соленоид состоит из 55 пробкотронов длиной 22 см и пробочным отношением R = Bmax/Bmin = 4,8 Тл / 3,2 Тл = 1,5.

Гофрированное магнитное поле модулирует нагрев электронов от двухпотоковой неустойчивости, а подавленная теплопроводность не позволяет электронам выровнять градиенты температуры. В результате появляется модуляция давления плазмы (P = n · T) вдоль установки, что приводит к возникновению встречных плазменных потоков в каждом пробкотроне. В результате происходит очень быстрый (~3 – 4 мкс) нагрев ионов до температуры ~2 кэВ. Данный механизм должен сопровождаться резкими скачками плотности плазмы, которые и были обнаружены методом томсоновского рассеяния луча лазера. Также по колебаниям в отдельных пробкотронах потока термоядерных нейтронов был обнаружен новый класс плазменных колебаний – неустойчивость баунс-осцилляций (колебания частиц между точками остановки в пробкотроне).

 

 

Рис. 3.  Неоднородный нагрев электронов и возникающие потоки плазмы.

 

В плазму инжектируется пучок с током, превышающим предел устойчивости Крускала-Шафранова (для камеры ГОЛ-3 это ~12 кА). Чтобы транспортировка пучка была устойчивой, перед его инжекцией в камере установки с помощью специальной системы создается плазма с небольшим встречным (к пучку) током. После начала инжекции пучка в плазме индукционно наводится встречный ток, почти равный току пучка, но течёт он по поверхности плазменного шнура, так как в центре плазмы летит электронный пучок и вследствие высокого уровня турбулентности возникает высокое сопротивление. Прямолинейный ток формирует вокруг себя азимутальное магнитное поле, которое в сумме с продольным полем соленоида создает винтовое магнитное поле. Разные (по величине и направлению) токи на разных радиусах формируют сложную структуру магнитного поля с широм, подавляющего развитие желобковой неустойчивости, которая должна выбрасывать плазму на стенку. В результате время удержания плазмы составляет около 1 мс, что является значительным достижением, поскольку почти на порядок превышает оценку времени развития в данной плазме желобковой неустойчивости.

После пролёта основного соленоида пучок попадает в выходной узел, который должен принять мощный пучок электронов и поток плазмы и при этом не разрушиться. Для этого магнитное поле в выходном узле делают расходящимся, что в 50 раз уменьшает плотность энергии в пучке, становящуюся ниже порога значительного разрушения материала приёмника. Наличие на выходе установки мощного плазменного потока позволяет проводить эксперименты по облучению материалов для будущих термоядерных реакторов, которые подвергаются огромным тепловым нагрузкам, не достижимым сейчас на других плазменных установках.

 

 

Рис. 4.  Осцилляции нейтронного потока в отдельных ячейках.

 

Хотя сейчас наиболее близки к реакторным параметрам токамаки (у них больше температура и время удержания), благодаря ГОЛ-3 многопробочные ловушки тоже рассматриваются как вариант термоядерного реактора. Плотность плазмы в ГОЛ-3 в тридцать раз выше, чем в среднем у токамаков (плотность плазмы в JET 5 × 1013 см-3), и, в отличие от токамаков, нет ограничений по давлению плазмы. Если давление плазмы будет сравнимо с давлением магнитного поля (5 Тл создаёт давление ~100 атмосфер), то ловушка перейдёт в режим «стеночного» удержания – вытолкнутое из плазмы магнитное поле (плазма – диамагнетик) будет концентрироваться и увеличиваться вблизи стенок камеры и всё равно будет удерживать плазму. Сейчас неизвестно ни одной причины, которая принципиально бы ограничивала рост основных термоядерных параметров (n, T и время удержания) в многопробочных ловушках.

Главная задача, стоящая перед коллективом установки ГОЛ-3, это разработка концепции многопробочного термоядерного реактора и последующая экспериментальная проверка основных положений этой концепции. Оценки показывают, что для многопробочного реактора с Q ~ 1 достаточно длины 60 м и диаметра плазмы ~10 см, это гораздо меньше размеров ИТЭРа. Для подтверждения концепции требуется создать электронные пучки большой длительности (~1 мс), а также системы нагрева плазмы ГОЛ-3 нейтральными пучками. Работа по этим направления уже активно ведётся.

Просмотров: 1112
Сохранено: 09.07.2015



Установка ГОЛ-3



Пожалуйста подождите...
Операция успешно завершена.

ОШИБКА!