Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Работы, выполненные в рамках Проекта за отчетный период посвящены изучению процессов продольного переноса частиц и энергии плазмы в магнитных открытых ловушках методами экспериментальной и теоретической физики. Для построения установок реакторного класса на базе открытой ловушки критически важно понимать физические механизмы, определяющие перенос энергии вдоль магнитного поля. Установка ГДЛ в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера способна удерживать плазму с параметрами, приближающимися к параметрам реакторного уровня, поэтому она является идеальным стендом для детального изучения процессов, определяющих потоки тепла и частиц из ловушки. Объектом исследования является плазма, вытекающая из ловушки в магнитный расширитель – область за между магнитной пробкой и поверхностью поглотителя плазмы. Основные инструменты для изучения продольных потерь – это электростатические датчики для измерения полного и ионного токов из плазмы и болометр, позволяющий зарегистрировать абсолютную величину энергии, покидающей ловушку. Таким образом можно с достаточной точностью измерить теоретически предсказанное значение параметра, характеризующего величину энергии, выносимой из ловушки одной электрон-ионной парой, нормированную на температуру электронов (этот безразмерный параметр для краткости назовем A). Этот параметр является ключевым при проектировании систем типа нейтронного источника или термоядерного реактора на основе открытой магнитной ловушки. Теория, аналитически описывающая распределение потенциала в расширителе открытой ловушки, предсказывает зависимость параметра А от места расположения приёмника плазмы в расширителе: при степенях расширения магнитного поля больше 40 (корень из отношения массы иона к массе электрона) для водородной плазмы энергия, выносимая электрон-ионной парой должна быть порядка 8 электронных температур. Проведенные за отчетный период эксперименты позволили уточнить это предсказание: для дейтериевой плазмы при степенях расширения более 60 параметр оказался А = (6,4±0,6). Были также изучены зависимости энергии, выносимой электрон-ионной парой, от различных параметров плазмы в центре ловушки, из которых можно сделать выводы о предельных значениях этих параметров с точки зрения оптимизации продольных потерь. Важным вопросом является влияние неамбиполярных эффектов, которые могут присутствовать в открытой ловушке в связи с несимметричностью расширителей или при не одинаковых параметров плазмы в них и вносить существенный вклад в продольные потери частиц и энергии, нарушая естественный амбиполярный ход потенциала в ловушке. Экспериментально показано, что вклад неамбиполярных эффектов невелик и может влиять на продольные потери в рамках 15% от их величины. Еще одна важнейшая задача, которую необходимо решить, прежде чем разрабатывать проект термоядерной установки на основе открытой магнитной ловушки – это определение предельной концентрации нейтральной компоненты плазмы в расширителе. Как показывают оценки, эта концентрация не должна быть больше n = 1012 см-3, иначе рождающиеся за счет ионизации газа холодные электроны смогут проникать в центр ловушки и охлаждать плазму. Однако, в экспериментах было показано, что даже при концентрациях нейтралов n = 1014 см-3 ухудшения параметров плазмы в центре не происходит. Рабочей гипотезой, объясняющей этот факт, является то, что нейтральный газ, находящийся в расширителе, при нагреве плазмы и постоянном давлении оттесняется к стенкам за счет упругих столкновений. Построена упрощенная численная модель, описывающая этот механизм, и ее результаты качественно согласуются с тем, что наблюдается в эксперименте. В настоящее время разрабатывается кинетическая модель для описания максвеллизации слабостолкновительного газа вне плазмы для повышения точности теории. Работы по Проекту описаны на сайте: http://budker.ru/ru/Infrasructure/Ustanovki/GDL/results/expander/

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период выполнены работы, являющиеся продолжением исследования процессов, происходящих в расширителе открытой магнитной ловушки. Стендом для этих исследований является установка Газодинамическая ловушка (ГДЛ) в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера. Запущена разработанная в рамках Проекта система регистрации потоков частиц и энергии, приходящих на торцевой приемник плазмы, которая позволит измерять энергию, теряющуюся из ловушки вдоль магнитного поля, и отлеживать зависимости этих потерь от различных параметров в центре ловушки. Ведется работа по запуску нового электростатического анализатора, который позволит с хорошей точностью регистрировать спектры ионов, покидающих ловушку, в пределах 100 эВ-2.5 кэВ. Для измерения направленной скорости движения ионов в расширителе ГДЛ была разработана новая оптическая диагностика, которая введена в эксплуатацию и продемонстрировала требуемые для физических исследований параметры: разрешение по продольной энергии около 10 эВ в режиме с активной газовой мишенью, эффективной разрешение по времени 100-500 мкс при максимальной частоте следования кадров около 2.5 кГц, пространственное разрешение около 5 мм в проекции на центральную плоскость ГДЛ. Проведены измерения динамики и поперечного профиля продольной энергии ионов водородной «мишенной» плазмы ГДЛ. Высокая точность измерений позволяет проводить сравнение с различными аналитическими и численными моделями продольного удержания частиц и энергии в газодинамической ловушке. В разрабатываемой аналитической модели, описывающей удержание частиц в расширителе ГДЛ, сделаны оценки влияния процессов ионизации и перезарядки ионов на холодном остаточном газе, а также детально изучено влияние вторичной электронной эмиссии с плазмоприемника. Оказывается, что при значениях коэффициента вторичной электронной эмиссии вплоть до 1–1,5 ток вторичных электронов ограничивается объемным зарядом. В результате моделирования была выяснена область параметров плазмы, в которой происходит надежное ограничение дополнительных потерь энергии из-за вторичной эмиссии. В процессе эволюции математической модели, разрабатываемой в рамках Проекта и описывающей взаимодействие нейтрального газа с плазмой в расширителе ГДЛ, было принято решение о том, что все процессы необходимо рассматривать в кинетическом приближении, вычисляя интеграл столкновений. Для этого была разработана, реализована и протестирована новая эффективная консервативная схема расчёта столкновений в системе центра масс на грубой сетке. В качестве теста использован расчёт столкновительной релаксации начальной функции распределения к максвелловской, имеющий точное аналитическое решение. При этом ошибка численной схемы находится в допустимых пределах. Работы по Проекту описаны на сайте: http://inp.nsk.su/nauka/nauchnye-podrazdeleniya/gdl/nashi-rezultaty/fizika-rasshiritelya

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведена серия экспериментов, посвященная изучению влияния формы поверхности плазмоприемника на удержание плазмы в открытой ловушке. Изменение обычного плоского плазмоприемника на секционированный, имеющий форму конических секций жалюзи, может благотворно сказаться на удержании плазмы в ловушке, так как вторичные электроны с его поверхности, расположенной под углом к силовой линии магнитного поля, будут ускоряться дебаевским слоем перпендикулярно поверхности и рассеиваться в объеме расширителя. Проведено сравнение параметров плазмы в центре ловушки при использовании различных плазмоприемников в расширителе: плоской и жалюзийной подвижной центральной секции приемника плазмы. Эксперимент показал, что ключевые параметры плазмы в центре (электронная температура и энергосодержание в популяции быстрых ионов) реагируют на близко расположенный к пробке плоский плазмоприемник сильней, чем на жалюзийный. Это дает основания предполагать, что вторичные холодные электроны не проникают в центр ловушки, отражаясь в объем расширителя под углом от жалюзийных секций, как и было предсказано теоретически. При дополнительном поддуве газа в бак расширителя жалюзийный плазмоприемник не влияет на температуру плазмы в центре ловушки, даже будучи расположенным близко к пробке, что дает основания считать его оптимальным и рекомендовать такую форму приемника плазмы для будущих открытых ловушек. Экспериментально изучался вопрос о возможности развития двухпотоковой неустойчивости в расширителе открытой ловушки, которая способна рассеивать вторичные электроны, тем самым нивелируя их негативное влияние на удержание центральной плазмы. Холодные вторичные электроны, ускоряясь в дебаевском потенциале вблизи поверхности плазмоприемника, могут формировать направленный пучок, функция распределения которого будет неустойчивой, а значит, пучок будет рассеиваться на ленгмюровских колебаниях плазмы, не попадая таким образом в магнитную пробку. Колебания должны наблюдаться на частотах порядка плазменной частоты. Для регистрации неустойчивости в расширителе ГДЛ был использован ленгмюровский зонд и осциллограф, способный разрешать сигналы с частотой до 60 ГГц. По результатам первых экспериментов можно утверждать, что в расширителе имеет место двухпотоковая неустойчивость. Аргументом в пользу этого утверждения является частота зарегистрированных колебаний, близкая к оцененным значениям. Спектр колебаний широкий – от 300 МГц до 1,2 ГГц с центром полосы примерно в 600 МГц. Также при увеличении плотности плазмы в центре ГДЛ частота колебаний увеличивается, причем пропорционально корню из плотности, и составляет примерно 800 МГц. Таким образом, можно утверждать, что в расширителе ГДЛ имеет место двухпотоковая неустойчивость, предсказанная теоретически Д.Д. Рютовым, которая является благоприятным фактором для удержания плазмы в открытой ловушке, так как ведет к рассеянию холодных вторичных электронов с плазмоприемника, не позволяя им проникать в ловушку. Это может послужить еще одним объяснением, почему при довольно высокой плотности вторичных электронов в ГДЛ не наблюдается деградации удержания плазмы. Проводился анализ колебаний интенсивности излучения нейтрального газа в расширителе при помощи разработанной в рамках Проекта системы оптической томографии. Типичные сигналы различных линий наблюдения в большинстве режимов ГДЛ демонстрируют осцилляции интенсивности. Примеры сигналов центральной и периферийной линий наблюдения показывают, что амплитуда осцилляций существенно больше на периферии плазмы в расширителе. Ряд переходных процессов, зафиксированных диагностикой оптической томографии, очевидно соответствуют крупономасштабным движениям и деформациям профиля плотности плазмы, ассоциированным с МГД-колебаниями. Во многих режимах относительная амплитуда флуктуаций интенсивности на переферийных ЛН составляет ≈ 30%. Анализ осцилляций интенсивности оптического излучения плазмы в расширителе ГДЛ производился на основе стандартных методов временной корреляции и пространственной когерентности сигналов. Анализ корреляций показал, что спектр турбулентности лежит в диапазоне частот ≈ 1÷150 кГц, а мощность флуктуаций на периферии плазмы в несколько раз превышает таковую в центре в диапазоне частот 1÷15 кГц. Отчётливо просматривается МГД пик на частоте 14 кГц, соответствующий желобковой МГД моде с азимутальным числом m=1). Спектр автокорреляции двух периферийных линий демонстрирует значительную корреляцию в диапазоне частот ≈ 5÷100 кГц, корреляции же турбулентности между средними радиусами и периферией практически отсутствуют. Сделана также оценка сверху поперечной длины волны турбулентности δ_⊥≤150 мм. Была продолжена работа по развитию аналитической и численной моделей, описывающих поведение и взаимодействие частиц в расширителе открытой ловушки. При разработке численной модели пришлось решать две возникшие проблемы: многократное увеличение необходимого объёма вычислений из-за значительного числа ячеек и невозможность приемлемого описания функции распределения для горячего газа в центре и холодного газа у стенки на одной и той же грубой сетке в пространстве скоростей. Первая трудность преодолевается переходом к параллельным вычислениям и работе на кластере. Для преодоления второй проблемы выбран подход, при котором надтепловые частицы описываются как дополнительный «сорт» атомов на универсальной скоростной сетке с максимальной скоростью для данной задачи. В рамках развития аналитической модели рассмотрены процессы воздействия остаточного нейтрального газа на плазму расширителя и продольные потери. Показано, что важными факторами являются лишь ионизация газа в припробочной зоне, а также рост дебаевского скачка потенциала при низкой концентрации остаточного газа. Работы по Проекту описаны на сайте: http://inp.nsk.su/nauka/nauchnye-podrazdeleniya/gdl/nashi-rezultaty/fizika-rasshiritelya