МГД – устойчивость «горячей» вращающейся плазмы Эксперимент ПСП - 2 Волосов В. И. Декабрь, 2008

Проблема снижения уровня радиальных потерь и подавления МГД неустойчивостей в открытых магнитных ловушках Фактор существенно влияющий на уровень МГД колебаний: «Электрический шир» - проскальзывание слоев плазмы в некотором интервале по радиусу. Эксперименты: 1. ПР – 7 Yu.V.Gott, M.S.Ioffe, B.I.Kanaev et. al. Nucl. Fusion Supplement 1975, ( IAEA- CN – 33/D3) ОГРА – 2 Л. И. Артеменков, Г. Ф. Богданов, И. Н. Головин и др. Препринт ИАЭ 676,М, (1964). 3. 2X–II B W.C.Turner, J.F.Clauser, F.H.Coensgen, et.al., Nucl. Fusion 19 N8 (1979) TMX T.C.Simonen,C.A.Anderson,T.A.Casper, et.al., Nucl. Fusion Suppl.1 (1981) ITER (review) Terry P.W., Rev. Mod. Phys., Vol. 72, N1, January 2000; Connor J.W., Fukuda T., Garber X., et.al., Nucl. Fusion 44, (2004) R1-R40; DonneA.J.H. Plasma Phys. Control. Fusion 44 (2002) B137-B GAMMA-10 T.Cho, H.Higaki, M.Hirata, et al, Trans, Fusion Science and Technology. 47, (2005) GDT Bagryansky P.A., Beklemishev A.D., Soldatkina E.I., Fusion Science and Technology, Vol. 51, N 2T ( 2007) 340: Soldatkina E.I., Bagryansky P.A., Solomakhin A.L., Plasma Physics Reports, Vol. 34, Issue 4 ( 2008) 259

E x B плазма 1.Lehnert, B., Phys. Fluids 9 (1966) Lehnert, B., Phys. Scr. 7 (1973) 102; Lehnert, B., Phys. Scr. 9 (1974) Lehnert, B., Nucl. Fusion 11 (1971) 485

Предварительные численные расчеты для эксперимента ПСП-2 Бехтенев А.А., Волосов В.И., ЖТФ 47, N7, (1977) Бехтенев А.А., Вандегрифт Г.Г., Волосов В.И., Физика Плазмы 14, N3 (1988) 292 M.Rosenbluth, A.Simon, Phys. Fluids, 8, 1300 (1965), А.В. Тимофеев. Ядерный синтез, 6, (1966) 93 Задача о желобковых колебаниях в центробежной ловушке без учета продольных токов - возмущенный потенциал,m-азимутальное волновое число; - частота колебаний; g=(MR) -1 (dp/dn); R–радиус кривизны силовых линий магнитного поля; M, T i –масса и температура ионов; Уравнение получено в предположении i /a

Зависимость инкремента от m для различных профилей частоты электрического дрейфа для профиля E{r}, определяемого при различных : 1- 0, 2 - 0,25, 3 - 0,4, 4 - 0,5, 5 - 0,6, 6 - 1,0 Величина E (r) выражается через E{r}: Параметры, приближенные к условиям эксперимента ПСП-2 r 1 =20 см, r 2 =50 см, a=10 см H 0 = Э, H (r=40см) = Э, E 0 =23кВ/см плотная водородная плазма с Т i =10 кэВ (энергия вращения W E =5кэВ)

Задача о желобковых колебаниях в центробежной ловушке с учетом продольных токов Стабилизирующее действие продольного тока определяется динамической проводимостью участка плазма–электрод, т.е. током - возмущенный потенциал. e - время электрон-электронного обмена энергией с температурой электронов T e - высота энергетического барьера или энергия электронов вблизи границы спектра. когда средний разброс по энергии электронов порядка их температуры j 0 - равновесная плотность тока, L - длина системы, p - время жизни электронов Основной процесс, определяющий обмен энергией между электронами - кулоновское взаимодействие при условии А=1 Для достаточно горячей и редкой плазмы: – энергия, которую электроны могут набрать за время последнего пролета через ловушку t Введем продольные токи электронов в уравнение Саймона – Розенблюта:

Зависимость инкремента от величины (1/ р T э ) при для различных m

Эксперимент ПСП -02 (1980 г.) W Ti =10 КэВ, L ~ 50 см, U total 60 КэВ, D =24 см, d c =12 см, H c =9 КГс, R=2.5, n e =10 12 см -3, сжатый по z разряд 1 - коаксиальные электроды 2 - кольцевой клапан 3 - внешний лайнер 4 - внутренний лайнер 5 - датчики нейтральных атомов Спектры плазменных колебаний через 1 мс после начала разряда для разных профилей электрического поля:

Эксперимент ПСП-2 Разрез установки ПСП-2: 1 - катушки магнитного поля; 2 - область плазмы; 3 - внешний лайнер; 4 – внутренний лайнер; 5 - электродная система; 6 – система в/в питания Параметры ПСП-2 r 2 =51 см, r 1 =32 см, L=160 см, U ~ МВ, Q=100 кДж, H c = КГс, R=2.4, P=10 -7 Торр, S разряд – решетка из Ti колец Us = 270, 300, 330 и 360 кВ J N = A

Размещение диагностической аппаратуры в плоскости z=0 субмиллиметровый интерферометр (1-5) 1-HCN-лазер, 2- волновод, 3--хордовый интерферометр, 4-радиальный интерферометр, 5- InSb детекторы; анализатор нейтралов (6-8) 6-обдирочная камера, 7- камера анализатора, 8-микроканальная пластина; оптическая система (9-12) 9- коллиматор, 10 - монохроматор,11- ФЭУ, 12- диссектор, вторично-эмиссионные детекторы (13) ячейки Пеннинга (14)

Осциллограммы

Радиальное распределение плотности плазмы во времени в режиме U=330 кВ

Радиальное распределение плотности плазмы в начале стационарной фазы разряда

Распределение токов J N по радиусу

Осциллограммы: J N (t) и I N (t); шаг по времени 0,4 мс (отн. единицы)

Энергетические спектры нейтральных атомов перезарядки Сплошные линии - эксперимент; r=33.5см; и r=37 см; штриховая линия- расчет, r=37 см.

Профили линии H в различных режимах Экспериментальные точки: Us=270 кВ (t= мкс), Us=360 кВ (t=100мкс); расчетные кривые для Us=360 кВ (t=100 мкс); =0 (1), =0.25 (2), =0.4, (3).

Профили линии H при U s =360 кВ для различных моментов времени t=100 мкс (1), t= мкс (2)

Распределение E(r) 1 - по скорости вращения плазмы, ф - экспериментальные точки из энергетических спектров нейтралов перезарядки, - из профиля линии H ; 2 - проекция электрического поля на торце в центр плазмы - экспериментальные точки

Распределение потенциала в центральной плоскости (1), проекция потенциала на торце в центр плазмы (2), U s =330 кВ

Радиальные профили плотности плазмы и нейтрального газа в режиме U s =270 кВ n(r) - плотность плазмы 1- эксперимент (t=200мкс), 2- расчет при D=0, и n o (r) - эксперимент, 3- расчет при D=0, и n o (r)= const n o (r) - плотность нейтрального газа 4 - эксперимент, 5 - расчет

Радиальные профили плотности плазмы и нейтрального газа в режиме U s =360 кВ n(r) - плотность плазмы: 1- эксперимент (t=200мкс), 2- расчет при D=0, и n o (r) - эксперимент, 3- расчет при D=10 6 см 2 с -1, n o (r) = const. n o (r) -плотность нейтрального газа; 4- эксперимент, 5- расчет

Свойства Е х В разряда скорость перезарядного дрейфа При наличии радиальной диффузии необходимо учитывать вклад D 0 r - смещение в одном акте перезарядки Профиль плотности плазмы: где перезарядка ионизация ионами и электронами плазмы уравнение непрерывности ( стационарный разряд)

Функция (V E )

Заключение Показано, что эффект «проскальзывания» плюс контакт плазмы с торцами в магнитной ловушке с радиальным электрическим полем позволяет подавить в горячей плазме центробежную желобковую неустойчивость. Центробежная желобковая неустойчивость подавляется несмотря на сильную неравновесность этой плазмы (W i >>T e ), а также неравновесность спектра ионов W i. Наблюдается кинетическая неустойчивость приводящая к перекачке части энергии ионов к электронам. Хотя расчеты были проведены только для центробежной желобковой неустойчивости, в эксперименте не наблюдается никаких других типов МГД активности.