Установка ГДЛ: новейшие результаты и планы Семинар плазменных лабораторий, 27.10.2009

Установка ГДЛ: новейшие результаты и планы
П. Багрянский & группа ГДЛ
Семинар плазменных лабораторий, 27.10.2009
Содержание:
• Основные результаты периода «весна-лето 2009»;
• Результаты модернизации системы атомарной
инжекции;
• Увеличение магнитного поля;
•
Результаты обзорных экспериментов осени 2009;
•
Планы.
Основные параметры эксперимента «весна-лето»
(D - пучки, Н – плазма)



Магнитное поле в центре: 2.83 кГс
Мощность D-инжекции: 3.5 МВт
Захваченная мощность: 2 МВт



Плотность плазмы:
1.531013 см-3
Электрон. температура: 140 эВ
Плотность б. ионов:
 41013 см-3
Влияние дифференциального вращения плазмы на МГД неустойчивость
Вихревое удержание
+150 В
+150 В
Вихревое удержание
Результаты компьютерного моделирования (А. Д. Беклемишев)
Вихревое удержание
Результаты расчетов (А. Д. Беклемишев)
Расчётное изменение
энергетического времени жизни (в
относительных единицах, при
параметрах ГДЛ единица
времени ~30мкс.) Классическое
удержание соответствует 43ед., а
при исключении поперечных
потерь – 50ед. График “U=-5,
counterflow” соответствует режиму
спокойного вихревого удержания.
График “U=0, flow” соответствует
«бурному» режиму.
Метод поддержания баланса частиц
Временная
диаграмма
эксперимента
Атомарная инжекция
Инжекция газа
Источник плазмы
0.5
3.5
8.5
t, ms
Типичные профили плотности и температуры
rхар=12 см
D0 – пучки, H - плазма

B=2.8 кГс
T=78.2 мс:
 Сред. B/B=0.29
 Макс. B/B=0.36
Радиальные профили B/B=(Bv-Bpl)/Bv
А. Лизунов, Семинар плазменных лабораторий, 30.06.2009
D0 – пучки, H - плазма
Wf = 1.3 кДж

B=3.0 кГс
T=78.2 мс:
 Сред. B/B=0.32
 Макс. B/B=0.34
Зависимость B/B от времени
А. Лизунов, Семинар плазменных лабораторий, 30.06.2009
D0 – пучки, H - плазма
Зависимость B/B от энергосодержания быстрых ионов
А. Лизунов, Семинар плазменных лабораторий, 30.06.2009
Оценка максимального значения  из уравнения
параксиального равновесия:
  2
B B 
2

 ,
BV  BV 
B/Bv=0.37    0.6
Оценка максимального значения плотности
горячих ионов из:
8 n      0.6, <E>=10 кэВ  n=4.51013 см-3

,
2
BV
Замечание: при 50% происходит нарушение параксиальности, однако
существуют дополнительные экспериментальные данные, показывающие,
что плотность горячих ионов может иметь значение n  41013 см-3
(ослабление пучка DNBI, поток ионов в расширитель).
Электронная температура определяет
время удержания горячих ионов:
3/2
e
mi
T
3
 ei 

.
2
4
4 2
me z    e  n
Предельно достижимая температура электронов для
режима газодинамического истечения:
qi  qe  1.53  nw  ( T
2 mi
)1/2 ,
Q  7.89  qi  T .
 поток частиц
 поток энергии
Мирнов В.В., Ткаченко О.А., препринт ИЯФ 86-28
2  Q   a2
P||  2  Q  Sm 
 Ph
R

 Ph  R 
T  765  
2 
 na 
баланс тепла в
 стационарных
условиях
2/3
T[эВ], Ph [МВт], a[cm], n[1013 см-3]
Оценка достижимой температуры в режиме с D
инжекцией:
(P = 2 МВт; R=32; n=31013см-3, a = 12 см)  T = 210 эВ
Согласно результатам
T  140 эВ (В=2.8 кГс)
измерений:
T  160 - 180 эВ (В=3 кГс)
Возможные объяснения:
• отсутствие стационарных условий
• поперечные потери
• высокая плотность теплой плазмы за областями
остановки
(P = 2 МВт; R=32; n=4.51013 см-3, a = 12 см)  T = 160 эВ
Модернизация системы атомарной инжекции
Сегодня: 8 пучков
H0, суммарная
мощность: в ионах –
8.5 МВт, в нейтралах,
непосредственно
инжектируемых в
плазму, – 4.5 - 5 МВт.
Увеличение
магнитного поля:
Цель работы:
увеличение пробочного
отношения, обеспечение
эффективной работы с
инжекцией пучков дейтерия,
возможность работы с двумя
амбиполярными пробками
Результаты:
продемонстрирована
работоспособность
дополнительной системы
емкостных накопителей,
показано, что при величине
напряжения зарядки основной
батареи ГДЛ до 4.8 кВ, возможно
увеличение поля до 3.5 кГс в
центральной плоскости ГДЛ.
Осень 2009: H0 – пучки, H – плазма, P = 4.5 МВт
Радиальные профили B/B=(Bv-Bpl)/Bv при Wf850 Дж
H0 – пучки, H – плазма, P = 4.5 МВт
B/Bv=0.3   0.5
<E>=10 кэВ, Bv=6 кГс
 n=4.51013 см -3
Зависимость диамагнетизма от времени
H0 – пучки, H – плазма, P = 4.5 МВт
n  2.51013см-3, доля захваченной мощности: 35% (1.6МВт)
Зависимость электронной температуры от времени
Рh=0.35P-Pcex 1.4 МВт; а=12см; R=32  Te max 190 эВ.
H0 – пучки, H – плазма, P = 4.5 МВт
26.10.2009
ln( I )
Te=1864 эВ
Оценка:
Te max=185 эВ
(  0 )
2
Максимальное значение электронной температуры в стационарном
режиме с n=3.51013 см-3 и долей захваченной мощности 45%
H0 – пучки, D – плазма
n  2.51013см-3
Зависимость электронной температуры от времени
Особенности поведения плазмы при высоком 
«сырые» сигналы
после интегрирования
Центральная
плоскость
Область
остановки
Сигналы от диамагнитных зондов в центральной плоскости и R=2.
Особенности поведения плазмы при высоком 
Fхаракт 5 кГц
Сигналы от системы мониторирования тока пучков
Результаты работ периода июль-октябрь 2009:
• введена в эксплуатацию система атомарной инжекции, состоящая из 8 модулей
полной мощностью до 5 мВт (8.5 МВт – в ионах);
• введен в эксплуатацию дополнительный емкостной накопитель, позволяющий
увеличить магнитное поле в центральной плоскости до 0.35 Т и пробочное
отношение до R=60;
• модернизирована система лазерного рассеяния, существенно увеличилась
точность измерения температуры электронов;
• проведена серия обзорных экспериментов с увеличенной мощностью
атомарных пучков и получены следующие основные результаты:
• в режиме с инжекцией пучков Н0 значение параметра  превысило 40%;
• радиальный профиль В/В оказался значительно более узким по
сравнению с режимами, где инжектировались пучки D0;
• в стационарных условиях достигнута электронная температура 170-180 эВ,
что, согласно оценке, близко к величине, соответствующей балансу
мощности нагрева и продольных потерь тепла в режиме газодинамического
удержания;
• Обнаружено два типа особенностей в поведении плазмы при высоком
значении ;
Ближайшие планы:
I. Обоснование проекта ИН с газодинамическим
режимом удержания
Изучение локального баланса частиц и энергии;
Скейлинги для температуры электронов;
Дальнейшее изучение поведения плазмы при вихревом удержании,
скейлинги для границ области устойчивости;
Изучение поведения горячих ионов в режимах с высоким .
II. Дальнейшее повышение Te за счет улучшения
продольного удержания
Реализация режима с минимальной плотностью теплых ионов;
Эксперименты с двумя амбиполярными пробками;
I.
Обоснование проекта ИН с газодинамическим режимом
удержания
Изучение локального баланса частиц и энергии;
Скейлинги для температуры электронов;
Методика: измерение пространственных распределений
параметров теплой плазмы и горячих ионов, вычисление
профилей мощности нагрева, сравнение с соответствующими
профилями продольных потерь, вычисление параметров,
характеризующих поперечные потери, сравнение с предсказаниями
теории и т. д.
Что необходимо для реализации дополнительно ?
Математическая модель, описывающая продольные потери в
режиме переходном от газодинамического удержания к
адиабатическому (А.Д.Беклемишев, Д.Ф.Сковородин).
Диагностики:
Болометры и сеточные зонды в расширителе для измерения
плотностей потока частиц и энергии (М.С.Коржавина);
Дополнительный канал ДИ в области между пробкой и точкой
остановки горячих ионов (А.Л.Соломахин, А.В.Львовский);
I. Обоснование проекта ИН с газодинамическим режимом удержания
Дальнейшее изучение поведения плазмы при вихревом удержании,
скейлинги для границ области устойчивости;
Необходимо сконструировать и изготовить новую версию
плазмоприемников в расширителе с системой плоских зондов для
изучения динамики плазменного столба в режиме вихревого удержания
(отв. П.А.Багрянский).
I.
Обоснование проекта ИН с газодинамическим режимом
удержания
Изучение поведения горячих ионов в режимах с высоким .
Что необходимо для реализации?
Математическая модель, описывающая равновесие (и устойчивость)
популяции горячих ионов при высоком значении  (Ю.А.Цидулко,
И.А.Котельников, В.В.Приходько).
Система диамагнитных зондов и средства обработки информации
для изучения динамики популяции горячих ионов в процессе удержания
(А.А.Иванов, Т.Д.Ахметов, В.В.Приходько).
II. Дальнейшее повышение Te за счет
улучшения продольного удержания
Реализация режима с минимальной
плотностью теплых ионов;
Идея:
1. «развязать» функции
МГД стабилизации и
поддержания баланса
частиц, организовать
инжекцию газа в
периферийную
область плазмы –
вихревой барьер.
2. Создать популяцию
горячих ионов при
работающем
генераторе плазмы,
затем «слить» теплые
ионы (из дискуссий с
А.А.Ивановым и
А.Д.Беклемишевым).
Температура электронов в режиме с
минимальным
уровнем инжекции газа
Сконструировать и
изготовить
соответствующую
технику
(П.А.Багрянский)
II. Дальнейшее повышение Te за счет улучшения продольного
удержания
Эксперименты с двумя амбиполярными пробками;
Серия заказов в ЭП-2
близка к завершению
(А.И.Волохов,
руководство ЭП).
Зависимость плотности тока в расширителе от плотности быстрых ионов
в компактном пробкотроне. Величины нормированы на параметры
тёплой плазмы в центральной ячейке — плотность n0 и тепловую
скорость ионов vTi (В.В.Приходько – канд. диссертация).
Спасибо за внимание!