Продольный транспорт энергии в магнитной ловушке открытого типа

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-72-10084

НазваниеПродольный транспорт энергии в магнитной ловушке открытого типа

Руководитель Солдаткина Елена Ивановна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые слова управляемый термоядерный синтез, магнитное удержание плазмы, магнитная ловушка открытого типа

Код ГРНТИ29.27.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект является частью фундаментальных исследований по проблеме осуществления управляемой термоядерной реакции в магнитных ловушках открытого типа - пробкотронах. Интерес к таким системам продиктован разработкой проектов их термоядерных приложений, включая мощные нейтронные источники, необходимые для решения задач термоядерного материаловедения, управления гибридными реакторами «синтез-деление», а также для решения целого ряда других научных и технологических проблем. Главной и наиболее амбициозной задачей исследований удержания плазмы в ловушках открытого типа является физическое обоснование компактного термоядерного реактора, способного работать с альтернативными видами топлива, не содержащими радиоактивный тритий, и имеющими, практически, неограниченные ресурсы добычи. Проект такого реактора развивается в настоящее время в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера совместно с рядом отечественных и зарубежных организаций. Ключевым с точки зрения приложений параметром является энергетическая эффективность системы, которая быстро растёт с увеличением электронной температуры. Одним из факторов, ограничивающим температуру электронов, может стать высокая теплопроводность плазмы вдоль силовых линий магнитного поля, которая определяется рядом сложных кинетических процессов в расширителях - областях расширяющегося магнитного потока за магнитными пробками. Главной целью предлагаемого Проекта является детальное изучение этого канала потерь и определение условий, при которых он может быть подавлен до уровней, приемлемых для термоядерных приложений магнитных ловушек открытого типа. Теоретические исследования по данной проблеме проводились ранее, однако методы анализа физических процессов в расширителях были излишне упрощены. Экспериментальные исследования, направленные на решение проблемы, были выполнены лишь для низких значений электронной температуры масштаба 20 эВ. Новизна данного Проекта состоит в том, что в настоящее время появилась возможность подробного изучения продольного транспорта частиц и энергии плазмы с параметрами, вплотную приближающимися к параметрам ближайшего термоядерного приложения магнитной ловушки открытого типа – нейтронного источника. Возможность проведения таких исследований появилась благодаря работам последних лет на установке ГДЛ (газодинамическая ловушка) в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН. В этих работах были получены следующие результаты, которые продемонстрировали возможность преодоления главных препятствий, стоявших на пути развития реакторов ядерного синтеза на основе пробкотронов, которые в свою очередь обладают простейшей с инженерной точки зрения осесимметричной конфигурацией магнитного поля. 1. Экспериментально продемонстрирована возможность стабилизации плазмы с высоким относительным давлением (beta) в осесимметричной ловушке открытого типа. Впервые в осесимметричной магнитной ловушке достигнуто значение параметра beta=60% в устойчивом режиме с дифференциальным вращением плазмы. 2. За счет использования наклонной инжекции мощных атомарных пучков достигнуто стабильное относительно развития ионно-циклотронных неустойчивостей удержание горячих ионов с энергиями термоядерного диапазона и плотностью до 10^20 м-3. Показано, что в этих условиях релаксация быстрых ионов определяется в основном кулоновскими соударениями с электронами плазмы, поэтому повышение электронной температуры является ключевым фактором, обеспечивающим увеличение времени удержания горячей компоненты плазмы. 3. Реализована новая схема дополнительного электронно-циклотронного нагрева, основанная на эффекте захвата излучения в плазме. В результате в режимах с дополнительным ЭЦР нагревом была достигнута рекордная для квазистационарных магнитных ловушек открытого типа величина электронной температуры - около 1 кэВ. В предыдущих экспериментах на открытых ловушках температура электронов была ограничена величиной менее 0,3 кэВ. 4. Продемонстрирован связанный с увеличением электронной температуры рост времени удержания энергичных ионов и выхода термоядерных нейтронов; показано, что повышение электронной температуры вплоть до 1 кэВ не меняет характер удержания в центральных областях плазменного шнура. Эти достижения, с одной стороны, позволяют кардинально пересмотреть возможности использования магнитных ловушек открытого типа для термоядерных приложений, а с другой стороны, мотивируют следующие исследовательские шаги в сторону развития реактора ядерного синтеза. Детальное исследование продольного транспорта частиц и энергии в пробкотроне является неизбежным шагом для реального продвижения в этом направлении.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Солдаткина Е.И., Багрянский П.А., Беклемишев А.Д., Федоренков Э.А., Коншин З.Э., Коробейникова О.А., Лизунов А.А., Максимов В.В., Мурахтин С.В., Пинженин Е.И., Савкин В.Я., Соломахин А.Л., Яковлев Д.В. Axial Plasma Confinement in Gas Dynamic Trap Plasma and Fusion Research, Volume 14, Issue 1, 2019, 2402006 (год публикации - 2019)
10.1585/pfr.14.2402006

2. Багрянский П.А., Господчиков Е.Д., Иванов А.А., Лизунов А.А., Колесников Е.Ю., Коншин З.Э., Коробейникова О.А., Коваленко Ю.В., Максимов В.В., Мурахтин С.В., Пинженин Е.И., Приходько В.В.,Савкин В.Я., Шалашов А.Г., Сковородин Д.И. и др. Studies of Plasma Confinement and Stability in a Gas Dynamic Trap: Results of 2016 - 2018 Plasma and Fusion Research, Volume 14, Issue 1, 2019, 2402030 (год публикации - 2019)
10.1585/pfr.14.2402030

3. Лизунов А.А., Бербасова Т.В., Хильченко А.Д., Максимов В.В., Пурыга Е.А, Зубарев П.В. Integrated polychromator and data acquisition system for the Thomson scattering diagnostic JOURNAL OF INSTRUMENTATION, vol. 14 C07010 (год публикации - 2019)
10.1088/1748-0221/14/07/C07010

4. Сковородин Д.И. Influence of Trapped Electrons on the Plasma Potential in the Expander of an Open Trap Plasma Physics Reports, Vol. 45, No. 9, pp. 799–804 (год публикации - 2019)
10.1134/S1063780X19090071

5. Багрянский П.А., Коробейникова О.А., Лизунов А.А., Максимов В.В., Мурахтин С.В., Приходько В.В., Савкин В.Я., Солдаткина Е.И., Соломахин А.Л., Яковлев Д.В. Axial electron conductivity in open magnetic trap Conference Proceeding of 46th EPS Conference on Plasma Physics, P4.1069 (год публикации - 2019)

6. Судников А.В., Солдаткина Е.И. Review of recent advances and new ideas in development of the open magnetic traps AIP Conference Proceedings, vol. 2179, 020026 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5135499

7. Солдаткина Е.И., Хильченко А.Д., Хильченко В.А., Моисеев Д.В., Приходько В.В., Савкин В.Я., Зубарев П.В., Багрянский П.А. Single probe diagnostics for the study of plasma parameters in the expander of an open magnetic trap Journal of Instrumentation, 15 P01018 (год публикации - 2020)
10.1088/1748-0221/15/01/P01018

8. Багрянский П.А., Зубарев П.В., Мейстер А.К., Савкин В.Я., Солдаткина Е.И., Хильченко А.Д., Хильченко В.А. Система измерения потоков частиц и энергии на установке ГДЛ XLVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, стр.96 (год публикации - 2020)

9. Солдаткина Е.И., Максимов В.В., Приходько В.В., Савкин В.Я., Сковородин Д.И., Яковлев Д.В., Багрянский П.А. Measurements of axial energy loss from magnetic mirror trap Nuclear Fusion, N.60 (2020) p.086009 (год публикации - 2020)
10.1088/1741-4326/ab95d2

10. Лизунов А.А. Charge exchange radiation diagnostic with gas jet target for measurement of plasma flow velocity in the linear magnetic trap Journal of Instrumentation (год публикации - 2021)

Публикации