Том 49, № 9 (2023)

Посвящено предложенному в ИЯФ СО РАН проекту открытой ловушки нового поколения – Газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ). Целью проекта является обоснование возможности применения открытых ловушек в качестве термоядерных систем: источника нейтронов и, в перспективе, термоядерного реактора. Основные задачи проекта заключаются в разработке технологий длительного поддержания плазмы в открытой ловушке, оптимизации параметров источника нейтронов на основе газодинамической ловушки и демонстрации методов улучшения удержания плазмы. Магнитовакуумная система установки будет состоять из центральной ловушки, многопробочных секций, улучшающих продольное удержание плазмы, и расширителей, предназначенных для размещения приемников плазменного потока. Установка будет сооружаться в несколько этапов. Стартовая конфигурация в общих чертах повторяет схему установки ГДЛ и будет включать в себя центральную ловушку с сильными магнитными пробками и расширителями. Она позволит решить две основные задачи: оптимизировать параметры источника нейтронов на основе газодинамической ловушки и исследовать физику перехода к конфигурации диамагнитной ловушки с высоким относительным давлением β ≈ 1, что позволит существенно увеличить эффективность системы. В данной статье описан технический облик стартовой конфигурации установки и изложены физические принципы, на которых основан проект ГДМЛ.

С помощью кодов KINX и VENUS для основного индуктивного и квазистационарного сценариев работы токамака ИТЭР были рассчитаны в потоковых координатах возмущения электронной плотности плазмы и магнитного поля, вызванные альфвеновскими модами. Полученные поля возмущений были переведены в инженерные координаты для расчета распространения пробного электромагнитного излучения рефлектометра с использованием двумерного полноволнового кода TAMIC RτX в реальной геометрии эксперимента. Проведенные расчеты показывают, что для отражения на нижней отсечке необыкновенной волны со стороны сильного магнитного поля в основном индуктивном сценарии относительные возмущения электрического поля отраженного сигнала рефлектометра находятся на пределе либо превышают линейную область работы диагностики. Было установлено, что возмущения сигнала в ряде сценариев в существенной степени обусловлены возмущениями магнитного поля, а не только электронной плотности, что затрудняет дальнейшую интерпретацию данных. Еще одной возможной проблемой является узкая область частот зондирующего излучения, в которой может наблюдаться альфвеновская мода. Помимо моделирования отражения электромагнитных волн от плазмы в работе также анализируется возможность измерения параметров альфвеновских мод при прохождении необыкновенной волны в окне прозрачности плазмы между верхней и нижней отсечками необыкновенной волны (рефрактометрия). Показано, что возмущение фазы на основной частоте составляет от 3 до 60 градусов, что делает невозможным использование для анализа сигнала рефрактометра с амплитудной модуляцией. Использованный подход “синтетической диагностики” может быть использован при моделировании работы рефлектометров в плазменных установках.

Исследованы электромагнитные моды в слабоионизованной плазме, образованной при многофотонной ионизации атомов инертного газа, в котором имеет место эффект Рамзауэра–Таундсенда. Показано, что при сравнительно небольшой энергии фотоэлектронов порядка 1 эВ возможно усиление электромагнитных волн. Усиление возможно как в случае редких столкновений фотоэлектронов с нейтральными атомами, так и при частотах столкновений большой плазменной частоты электронов. При энергиях фотоэлектронов несколько больших 1 эВ возможно развитие апериодической неустойчивости с инкрементом, величина которого сравнима с плазменной частотой электронов. Представлен детальный аналитический и численный анализ влияния столкновений фотоэлектронов с нейтральными атомами на закон дисперсии электромагнитной волны и инкременты неустойчивостей.

Исследуется влияние случайных сил, вызванных флуктуациями в комплексной плазме, на динамику заряженных пылевых частиц. Получены аналитические соотношения для их кинетической энергии, автокорреляционных функции скоростей, функций массопереноса и среднеквадратичных смещений для случая движения частицы под воздействием двух случайных сил. Предложен способ для учета более двух случайных сил различной природы. Обсуждается возможность моделирования движения пылевых частиц в комплексной плазме уравнениями Ланжевена с температурой не равной температуре окружающего газа.

Исследован процесс электрического пробоя в разрядной трубке длиной 80 см и внутренним диаметром 1.5 см (так называемой “длинной разрядной трубке”) в ксеноне при давлении 1 Торр. Пробой осуществлялся положительными импульсами с линейно растущим передним фронтом крутизной dU/dt порядка 10^–1–10⁵ кВ/с. Измерялось напряжение пробоя в темноте и при освещении разрядной трубки люминесцентными лампами, светодиодами или диодным лазером. Воздействие освещения на напряжение пробоя зависит от крутизны фронта. При dU/dt > 100 кВ/с напряжение падает, при dU/dt < 100 кВ/с – растет. При 0.1–1 кВ/с этот рост достигает шести раз. Исследована зависимость наблюдаемого эффекта от интенсивности излучения, его длины волны и положения освещаемой области поверхности трубки. Предпробойная волна ионизации ведет себя в этих условиях необычно: ее скорость и интенсивность излучения фронта растут при ее движении. В качестве механизма наблюдаемых явлений рассматривается фотодесорбция электронов с поверхности трубки, в результате которой стенка вблизи анода приобретает положительный заряд. Это приводит к повышению пробойного напряжения и ускоренному движению волны ионизации. Проведены дополнительные эксперименты, подтверждающие наличие в этих условиях стеночного заряда в прианодной области.