Эксперименты с компактным пробкотроном на установке газодинамическая ловушка

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С КОМПАКТНЫМ ПРОБКОТРОНОМ НА УСТАНОВКЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА План доклада: Введение (краткая история и основные задачи эксперимента) Диагностики Вакуумные условия и подготовка первой стенки Мишенная плазма и атомарные пучки Перезарядные потери Пространственное распределение плотности и энергосодержание быстрых ионов Эффект амбиполярного запирания Выводы из сегодняшних результатов

Synthesized Hot Ion Plasmoid (SHIP) A.Ivanov, A.Karpushov, K.Lotov // Transactions of Fusion Technology Vol. 35, No. 1T. P Параметры: Магнитное поле25 кГс Пробочное отношение 2 Радиус плазмы5 см Плотность см -3 Температура 100 эВ Инжекция: E NB кэВ P NB 2 МВт

Изучение быстрых ионов на установке ГДЛ Исследования релаксации и удержания быстрых ионов:

Изучение быстрых ионов на установке ГДЛ Удержание в высоким бета ( ~40%):

Изучение быстрых ионов на установке ГДЛ Измерение продуктов реакции синтеза (DD):

Изучение быстрых ионов на установке ГДЛ Исследование пространственного распределения:

Релаксация и время жизни быстрых ионов в установке ГДЛ определяется, в основном, парными кулоновскими столкновениями. Микро-неустойчивости, приводящие к аномально-быстрому рассеянию высокоэнергетнчных ионов не обнаружены. ОСНОВНОЙ ВЫВОД:

Дрейфово-конусная (DCLC) и альфвеновская ионно-циклотронная (AIC) микро-неустойчивости Параметр 1,2 2XIIB 3 TMX 1 ГДЛSHIP a/cm i /a A=W / W || 514~ 1~ 14 A n w /n f до 0.08 [1] Casper T.A. and Smith G.R Phys. Review Letters [2] Ishimura M., et al Phys. Review Letters [3] Coensgen F.H., et al Phys. Review Letters [4] Baldwin D.E., Berk H.L. And Pearlstein L.D Phys. Review Letters [5] D.C. Watson 1980 Phys. Fluids Теоретические оценки 5 предсказывают при i /a ~ 0.4 критерий AIC A 2 8

Цели и задачи эксперимента с SHIP Равновесие сгустка ионно-горячей плазмы c высоким β с анизотропной в пространстве скоростей функцией распределения МГД-устойчивость Микронеустойчивости (AIC, DCLC) Получение рекордных параметров удержания плазмы в аксиально- симметричной магнитной ловушке НИ Экспериментальное моделирование условий в НИ вблизи точки остановки быстрых ионов Испытания в условиях реального эксперимента новой системы атомарной инжекции ГДЛ (GDT-Upgrade)

SHIP Диаметр камеры70 см Длина камеры30 см Магнитное поле24 кГс Пробочное отношение2 Распределение магнитного поля

SHIP: история, результаты моделирования Trapped NBI power Пучки нейтралов дейтерия: мощность – 2 МВт, энергия нейтралов – 25кэВ, средняя энергия ионов – 9 кэВ

SHIP: диагностики SHIP: Приёмники пучков и калориметр. Пироэлектрические болометры. Диамагнитная петля. Анализатор нейтралов перезарядки. Дисперсионный интерферометр. Пучково-спектроскопическая диагностика. Расширитель: СВЧ-интерферометр Анализатор продольных энергий ионов Центральная ячейка: Томсоновское рассеяние

Диамагнитная петля с компенсатором Тракт инжектора Ребра жесткости

Анализатор нейтралов перезарядки Количество каналов:11 Размеры сканируемой области: по радиусу: см; один канал по радиусу:2.9 см; вдоль магнитного поля:1.2 см. Энергетическая ширина канала:E=0.06E Максимальное напряжение на конденсаторе:12 кВ Максимальная энергия регистрируемых частиц:24 кэВ Напряжение на МКП: кВ Усиление после МКП:1В/1нА Временное разрешение:18 мкс (АЦП)

Анализатор нейтралов перезарядки

1 – лазер 2 – оптическая плита 3 – плоские зеркала 4 – сферические зеркала 5 – оптические клинья 6 – удвоитель частоты 7 – приемник излучения 8 – линза 9 - вакуумная камера ГДЛ 10 – уголковый отражатель Дисперсионный интерферометр в SHIP

СВЧ интерферометр в SHIP

Вакуумные условия и подготовка первой стенки Fast Ti-deposition: P.A.Bagryansky, et. al., Journal of Nuclear Materials 265(1999) Антенны СВЧ интерферометра Электродуговой испаритель Ti Анализатор продольных энергий ионов

Вакуумные условия и подготовка первой стенки

P central cell = Pa, P ship = Pa Вакуумные условия и подготовка первой стенки

Результаты измерений

Тип газаводород Плотность электронов см -3 Температура50-55 эВ Диаметр9 см Мишенная плазма Данные системы томсоновского рассеяния T e = 54 eV, T e = 4.4 eV

Тип газаводород Энергия частиц17 кэВ Диаметр пучков8 см Время работы0.9 мс Энергия пучков~200 Дж Захват~10% (~20 Дж) Атомарные пучки

Перезарядные потери Мощность потока нейтралов перезарядки (P max 7 кВт). Продольное распределения плотности мощности потока быстрых нейтралов из плазмы Результат измерения мощности потока быстрых нейтралов из плазмы хорошо соответствует результатам оценки с учетом перезарядки на атомах пучков и теплых нейтралах, образованных в результате захвата пучков.

Накопление быстрых ионов Линейная плотность электронов в SHIP ( см -2 ) NBI = 1.8 см -2 = 0.8 см -2 NBI

Оценка плотности быстрых ионов Пусть: n f - плотность быстрых ионов; n 0 - плотность теплой плазмы вне области плазмоида; n w - плотность теплых ионов; n e - электронная плотность; 1)n e = n f + n w – квазинейтральность; 2)n e = n 0 exp(e /kT e ) – закон Больцмана для электронов; 3)n w = n 0 exp(-e /kT w ) – закон Больцмана для теплых ионов. Полагаем T e = T w, тогда из 2 и 3: n e n w = n 0 2 n f = n e - n 0 2 /n e n f l> = - 2 / = 1.8 – 0.64 / 1.8 = 1.4 см -2 В итоге: n f l> = 1.4 см -2 n 0 l> = 0.8 см -2 n w l> = 0.4 см -2 Средняя плотность быстрых ионов вдвое превышает начальную плотность плазмы и втрое среднюю плотность теплых ионов

Быстрые ионы:распределение в пространстве Размер по уровню 1/e: вдоль оси 5 см, по радиусу 13 см. Максимальная плотность1.2·10 13 см -3 Средняя энергия6 кэВ Энергосодержание8 Дж

Энергосодержание быстрых ионов Диамагнитные измерения Расчет оценка по результатам анализа нейтралов перезарядки и интерферометрических измерений W fast 8 Дж

Накопление быстрых ионов Максимальная плотность быстрых ионов - 1.2·10 13 см -3, = 0.8 T e Линейная плотность электронов в SHIP ( см -2 ) NBI

Эффект амбиполярного запирания (1) Временная зависимость приосевого потока ионов в расширителе SHIP NBI

Эффект амбиполярного запирания (3) Временной ход линейной плотности электронов в расширителе SHIP без SHIP Данные 8мм интерферометра в расширителе t, ms , cm -3

Выводы из сегодняшних результатов Создан и опробован в эксперименте набор диагностик для измерения параметров плазмы в SHIP'е. Проведены первые эксперименты с умеренной мощностью инжекции. Плотность быстрых ионов втрое превысила плотность теплых ионов и достигла 1.2x10 13 cм -3. Экспериментально продемонстрирован эффект амбиполярного удержания. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчёта при помощи кода MC FIT позволяет утверждать, что удержание быстрых ионов определяется кулоновскими столкновениями и перезарядкой на атомарных пучках. Микро-неустойчивости при этих параметрах эксперимента не обнаружены.

Параметр2XIIBTMXГДЛSHIP проект SHIP эксперимент a/cm i /a A=W / W || 514~ 1~ 1412 A n w /n f до