Резонансні дрейфові траєкторії заряджених частинок у гвинтових магнітних полях в термоядерній плазмі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний університет

01.04.08 фізика плазми

УДК 621.039:623.001.24

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Резонансні дрейфові траєкторії заряджених частинок у гвинтових магнітних полях в термоядерній плазмі

Полуновський Едуард Ісакович

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному університеті Міністерство освіти України, м. Харків

Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук, Шишкін Олександр Олександрович, провідний науковий співробітник Інституту фізики плазми, Національний науковий центр "Харківський фізико-технічний інститут", м. Харків.

Офіційні опоненти:

- доктор фізико-математичних наук, професор Єгоренков Володимир Дмитрович, професор кафедри експериментальної фізики, фізичний факультет Харківського державного університету;

- доктор фізико-математичних наук, Ткаченко Віктор Іванович, старший науковий співробітник Інституту плазмової електроніки, Національний науковий центр "Харківський фізико-технічний інститут", м. Харків.

Провідна установа: Науковий центр "Інститут ядерних досліджень" НАН України, відділ теорії ядерного синтезу, м. Київ.

Захист відбудеться "19" листопада 1999 р. о 17 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.051.12 Харківського державного університету за адресою: 310108, м. Харків, пр. Курчатова, 31, ауд.301.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського державного університету.

Автореферат розісланий "19" жовтня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук Письменецький С.О.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасні тороїдні термоядерні пристрої (токамаки: TFTR, JET, JT-60; стеларатори: LHD, Wendelstein-7 X) вже досягли рубежу, коли їх можна назвати передреакторними. Це означає, що параметри плазми, досягнуті або очікувані, впритул підходять в них до значень, що необхідні для здійснення термоядерної реакції в суміші D-T. На теперішній момент припускається, що промисловий термоядерний реактор буде працювати в одному з двох альтернативних режимів. Перший режим: температура, що необхідна для протікання термоядерної реакції, підтримується за рахунок використання частини енергії термоядерних нейтронів (W=14.1 МеВ), що вертається до плазми через тепловий цикл і систему нагрівання. Другий режим: підтримання робочої температури для термоядерної реакції в плазмі за рахунок утилізації енергії продуктів реакції - - частинок (W=3.5 МеВ).

Здійснення другого режиму вимагає вивчення питань пов'язаних з особливостями руху заряджених частинок високої енергії в гвинтових магнітних полях. До таких питань належать наступні: як покращити утримання - частинок з енергією "народження" (W=3.5 МеВ) в центрі плазми, аби "гарячі" - частинки встигли передати енергію, що необхідна для самопідтримання термоядерної реакції, частинкам основної дейтерієво-тритієвої плазми; як усунути "холодні" - частинки, наприклад з W=350 кеВ, що вже віддали свою енергію частинкам основної плазми, тобто гелієвий попіл.

Ще однією важливою задачею є пошук нових засобів, які полегшують "доставку" інжектованих заряджених частинок високої енергії в центр плазми термоядерного реактора.

Перераховані питання є актуальними для передреакторних пристроїв і, отже, дослідження, що проводяться в даному напрямку є важливими.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота пов'язана з дослідженнями, що проводяться в Інституті фізики плазми Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут", Науковому центрі "Інститут ядерних досліджень" НАН України, Київ, Харківському державному університеті, а також в Національному інституті термоядерних досліджень, Японія, Інституті фізики плазми фізичного товариства ім. Макса Планка, Німеччина, Принстонської лабораторії фізики плазми, США, і в інших наукових центрах світу.

Мета і задачі дослідження. Метою робіт, що складають зміст даної дисертації, є вивчення резонансних дрейфових траєкторій заряджених частинок у гвинтових магнітних полях пристроїв торсатронного типу для того, аби з'ясувати можливі механізми керування переносом прольотних заряджених частинок. Застосуваннями для керованого переносу прольотних заряджених частинок є введення іонів термоядерного палива з периферії до центру плазмової конфігурації і вилучення продуктів термоядерної реакції, тобто "холодних" - частинок, з об'єму утримання термоядерної плазми.

Для досягнення цієї мети необхідно було розв'язати такі задачі:

· Вибрати засоби дослідження дрейфових траєкторій заряджених частинок у гвинтових магнітних полях і моделі магнітного поля;

· Дослідити фізичний механізм "рух дрейфового острова" для магнітних конфігурацій пристрою реакторного масштабу Force Free Helical Reactor (FFHR), що проектується, з "квазібезсиловою" гвинтовою обмоткою з l=3 і самого великого, на теперішній момент, працюючого пристрою торсатронного типу Large Helical Device (LHD) з гвинтовою обмоткою з l=2;

· Запропонувати альтернативні підходи для керування переносом прольотних заряджених частинок, що не потребують зміни основної магнітної конфігурації;

· З'ясувати, яким чином впливають на процеси керованого переносу прольотних заряджених частинок дисипативні механізми, що мають місце в плазмі термоядерного реактора, зокрема, кулонівське розсіяння заряджених частинок.

Наукова новизна одержаних результатів. В процесі роботи над дисертацією були отримані результати теоретичного дослідження вибіркових щодо енергії частинок механізмів керування переносом прольотних заряджених частинок у гвинтових магнітних полях.

· Вперше був досліджений "рух дрейфового острова" для магнітної конфігурації термоядерного реактора з з сильним магнітним полем ( Т). Показано, що використання дрейфового резонансу на основі кута обертального перетворення є ефективним для цієї конфігурації. Дослідження проведене аналітичними та чисельними засобами.

· Вперше введене поняття критичної частоти зміни амплітуди основного гвинтового магнітного поля для процесу "рух дрейфового острова" і отримані аналітичні вирази для.

· Вперше з'ясований вплив дисипативного механізму - кулонівського розсіяння - на "рух дрейфового острова". Отримані параметри профілю густини плазми, за яких цей дисипативний механізм не руйнує умови дрейфового резонансу. При дослідженні був використаний такий підхід для опису руху спробної частинки: поєднання чисельного розв'язання рівнянь ведучого центру з урахуванням кулонівського розсіяння.

· Запропонований принципово новий підхід до використання стохастизації дрейфових траєкторій заряджених частинок для того, щоб організувати вибірковий щодо енергії частинок керований перенос, а саме: обмеження часу існування створюваної ззовні стохастизації.

· Досліджена стохастизація дрейфових траєкторій заряджених частинок і отримане співвідношення між часами виходу прольотних частинок основної плазми і домішок з високою енергією, характерне для магнітної конфігурації термоядерного реактора торсатронного типу.

· З'ясований вплив амбіполярного електричного поля, що присутнє в плазмі, на стохастизацію дрейфових траєкторій заряджених частинок.

Практичне значення одержаних результатів. Результати, отримані в дисертації, мають значення для розвитку такого розділу фізики плазми, як проблема керованого термоядерного синтезу. Їх можна рекомендувати для подальшого експериментального підтвердження на сучасних пристроях торсатронного типу. Засоби керування переносом прольотних заряджених частинок, що розглянуті в роботах, що складають дисертацію, можуть отримати застосування при вирішенні важливих задач введення термоядерного палива з периферії до центру плазмової конфігурації і вилучення гелієвого попелу з об'єму утримання.

Отримані результати можуть виявитися корисними при вирішенні проблеми самопідтримання термоядерної реакції, наприклад, в проекті реактора FFHR, що є спільною розробкою фізиків Японії та України; вони можуть бути впроваджені на працюючому пристрої LHD (Японія).

Особистий внесок здобувача. В роботи, що були опубліковані на дисертаційну тему, дисертантом зроблений наступний внесок:

· Проведене чисельне моделювання явища "рух дрейфового острова" для магнітної конфігурації термоядерного реактора з з сильним магнітним полем ( Т).

· Введене поняття критичної частоти зміни амплітуди основного гвинтового магнітного поля для процесу "рух дрейфового острова" і отримані аналітичні вирази для.

· Проведене чисельне моделювання впливу дисипативного механізму - кулонівського розсіяння - на хід процесу "рух дрейфового острова".

· Запропонований принципово новий підхід до використання стохастизації дрейфових траєкторій заряджених частинок з тим, аби організувати вибірковий щодо енергії частинок керований перенос, а саме: обмеження часу існування створюваного ззовні стохастичного шару.

· Досліджена стохастизація дрейфових траєкторій заряджених частинок і отримане співвідношення між часами виходу прольотних частинок основної плазми і домішок з високою енергією, що характерне для магнітної конфігурації термоядерного реактора.

· Вивчений вплив амбіполярного електричного поля, що має місце в плазмі, на стохастизацію дрейфових траєкторій заряджених частинок.

В опублікованих роботах, що написані у співавторстві з науковим керівником, а також з професором В.І. Муратовим (Харківський державний університет) та професором О. Motojima (Національний інститут термоядерних досліджень, Японія), дисертант брав участь в обговоренні постановки задачі, у формулюванні основних фізичних висновків, в написанні текстів статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на 23rd European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (Kiev, Ukraine, 1996), 6th Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion as a Section of Conference "Physics in Ukraine" (Alushta, Crimea, Ukraine, 1998).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 4 статтях та у 2 працях наведених вище конференцій. Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел з 55 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 108 сторінок. Основний обсяг (вступ, чотири розділи і висновки) складає 101 сторінку, в тому числі 39 ілюстрацій та 2 таблиці.

2. Зміст роботи

В дисертації розглядаються резонансні дрейфові траєкторії заряджених частинок в гвинтовому магнітному полі пасток торсатронного типу.

Вступ

1. У випадку гвинтового магнітного поля в тороїдній системі, як показано ще І.Є. Таммом, існує клас силових ліній магнітного поля, що не замкнуті і водночас займають обмежений об'єм простору, всюди щільно заповнюючи вкладені одна в одну тороїдні поверхні - так звані магнітні поверхні. В меридіанному перерізі тора ці поверхні мають вигляд замкнутої кривої без самоперетинання: в двозахідній системі (тобто в системі, яка має два полюси гвинтової обмотки) - еліпса; в тризахідній - трикутника з гладкими кутами; тощо. Для опису поведінки такої силової лінії зручно ввести таку характеристику як кут обертального перетворення - середнє (взяте за велику кількість обходів тора) кутове зміщення сліду, що залишається силовою лінією в меридіанному перерізі тора по малому обходу при зміні кутової координати вздовж великого обходу тора на 2 (тобто за один обхід тора) (L. Spitzer, Physics of Fluids, 1, №1, 1958, p. 253-264). Він залежить від середнього радіусу магнітної поверхні і пропорційний до квадрату амплітуди магнітного поля.

2. Якщо кут обертального перетворення дорівнює раціональному числу, то силова лінія є замкнутою, і поверхня є виродженою на гвинтову криву. Однак, якщо окрім основного гвинтового магнітного поля присутнє також гвинтове магнітне збурення, яке можна, для простоти, уявити в вигляді гвинтової гармоніки з хвильовими числами m та n, то магнітна конфігурація зміниться, причому в місці раціонального значення кута обертального перетворення - докорінно. Сукупність вкладених одна в одну тороїдних поверхонь перетвориться на дві сім'ї поверхонь, що розділені магнітною поверхнею з самоперетинаннями - сепаратрисою. Прийнято називати поверхню, що обмежена сепаратрисою, - магнітним островом, причому його максимальний радіальний розмір пропорційний до кореня амплітуди гвинтового магнітного збурення і зворотно пропорційний до шира .

3. Далі, якщо в системі присутні (або створені) дві гармоніки магнітного збурення і їхні амплітуди такі, що сума радіальних розмірів островів, створених цими збуреннями більша або порядку радіальної відстані між раціональними поверхнями, то має місце перекриття резонансних острівних поверхонь, так звана стохастизація силової магнітної лінії (Б.В. Чіріков, ДАН СРСР, 1967, 174, №6, с. 1313-1316). В цьому випадку сліди силової магнітної лінії можна буде виявити як на радіусах, що відповідають одному острову, так і на радіусах, що відповідають іншому острову. Або інакше можна сказати, що виникає ще одна сепаратриса (окрім сепаратрис що охоплюють острови окремо), що охоплює обидва магнітні острови, і силові лінії, що опинилися в шарі між цими двома типами сепаратрис, стають загальними для двох островів. Це явище можна поширити на більшу кількість острівних магнітних поверхонь.

4. У дрейфовому наближенні, тобто в наближенні ведучого центру зарядженої частинки, між рівняннями руху частинки і рівняннями силових ліній магнітного поля можна провести аналогію. Дрейфова траєкторія - аналог силової лінії магнітного поля, але ефективного магнітного поля, в яке окрім магнітного поля входять доданки, що враховують дрейф частинки в неоднорідному магнітному і електричному полях (А.П. Попрядухін, Атомна енергія, 1965, 18, №2, с. 96-104). Можна показати, що дрейфові траєкторії також утворять поверхні - дрейфові поверхні, які зсунуті і деформовані відносно до магнітних. Для них можна ввести кут перекручування траєкторії на довжині тора - аналог кута обертального перетворення для силової лінії магнітного поля, і він також залежить від амплітуди гвинтового магнітного поля. Для дрейфових поверхонь також можна виявити такі явища, як дрейфові острови - аналог магнітних і стохастизація траєкторії частинки при достатньо великих амплітудах гармонік збурення.

5. Явища - дрейфові острови і їхнє перекриття - до останнього часу розглядалися, як сприятливі прискореному переносу частинок плазми з об'єму утримання, тобто ці явища істотно скорочують час утримання плазми в термоядерній пастці. Однак в статтях H.E. Mynick (Physics of Fluids B, 1993, 5, №5, p. 1471-1481) і H.E. Mynick, N. Pomphrey (Nuclear Fusion, 1994, 34, №9, p. 1277-1282) висунута пропозиція використати ці явища як фізичні механізми для вирішення важливих задач вибіркового щодо енергії частинок керованого транспорту частинок через плазму (наприклад, для вилучення продуктів термоядерної реакції, що охолонули, а саме "холодних" - частинок з центру на периферію плазми, звідки їх можна механічно зняти). В роботі О. Motojima і О.О. Шишкін (Plasma Physics and Controlled Fusion, 1999, 41, №2, p. 227-242) для цієї мети запропоновано використовувати механізм "рух дрейфового острова". Він полягає в наступному. Змінюючи амплітуду гвинтового магнітного поля, можна змусити умову дрейфового резонансу "рухатися" в радіальному напрямку, бо кут перекручування є пропорційним до квадрата амплітуди гвинтового магнітного поля. При повільній зміні амплітуди основного гвинтового магнітного поля (в такий спосіб змінюється положення дрейфових островів) резонансна частинка, траєкторія якої обмежена сепаратрисою, при русі в радіальному напрямку не змінює свого резонансного значення куту перекручування, тобто не перетинає сепаратрису. Важливою характеристикою цього процесу є частота зміни гвинтового магнітного поля. При певному виборі цієї частоти зміни гвинтового магнітного поля такий транспорт є вибірковим щодо енергії частинок, тобто в радіальному напрямку рухаються заряджені частинки з певним значенням енергії і компоненти швидкості, паралельної магнітному полю.

Розділ 1. поширення резонансної дрейфової траєкторії І виведення/введення частинок високої енергії з/до пастки.

Показано, що рух дрейфового острова має місце для магнітної конфігурації реактора - торсатрона з "квазібезсиловою" тризахідною гвинтовою обмоткою Force Free Helical Reactor (FFHR) [1], що активно вивчається як можливий термоядерний реактор [5]. Процес "руху дрейфового острова" з кутом перекручування , в наближенні однієї частинки, є найефективнішим для використання в задачах вибіркового щодо енергії частинок керованого транспорту (Рис. 1, 2).

Важливим, для даного процесу, є поняття критичної частоти зміни гвинтового поля . Для неї, при , де - кутова напівширина дрейфового острова з , знайдений аналітичний вираз:

,

де - частота обертання частинки навколо тора,

- частота обертання частинки навколо осі острова,

- амплітуда основного гвинтового магнітного поля,

- зміна амплітуди основного гвинтового магнітного поля.

При частоті зміни амплітуди гвинтового поля умова дрейфового резонансу дотримується.

Процес "руху дрейфового острова" може бути зруйнований дисипативними механізмами в плазмі, наприклад, кулонівським розсіянням на частинках плазми. Тому в дисертації розглядається вплив кулонівського розсіяння на умову дрейфового резонансу на прикладі резонансу з дрейфовим кутом перекручування для торсатрона з гвинтовою обмоткою з Large Helical Device (LHD) [6].

Розділ 2. Вплив Кулонівського розсіяння частинки на дотримання умови дрейфового резонансу.

Кулонівське розсіяння розглядається в наближенні парних зіткнень і враховується в дрейфових рівняннях. Показники профілю густини плазми

,

і варіювалися в дослідженні. Показано, що при певному значенні густини плазми в центрі плазмової конфігурації і певному значенні крутизни нахилу профілю плазми "рух дрейфового острова" зривається, і частинка не реагує на зміну гвинтового магнітного поля. Однак, при більш гострому профілі умова дрейфового резонансу зберігається не тільки для , але й до . Отже, при "столоподібному" () профілі густини плазми "рух дрейфового острова" зривається, а при "дзвоноподібному" () не зривається [4] (Рис. 3).

Механізм "рух дрейфового острова" здійснимо при зміні амплітуди основного гвинтового магнітного поля, тобто при зміні величини струмів у гвинтових обмотках. Однак, зміна струмів у надпровідних обмотках може призвести до небезпечного явища, так званого quench, тобто руйнування надпровідного стану провідника, і наступного руйнування самого провідника. Тому має сенс розглянути альтернативні стаціонарні механізми керованого переносу частинок. Такий механізм розглянутий в третьому розділі.

Розділ 3. Створення тимчасового стохастичного шару як засобу вилучення гелієвого попелу або введення частинок високої енергії в плазму.

Вивчена стохастизація дрейфової траєкторії частинки в застосуванні до задачі вибіркового щодо енергії частинок керованого переносу. Дисертантом запропоновано обмежувати час існування стохастичного шару (Рис. 4) так, щоб частинки з високою енергією (наприклад, гелієвий попіл) встигали минути стохастичний шар, а частинки основної плазми не встигали полишити центр плазми [2].

Дослідження проводилися на прикладі реактора з "квазібезсиловою" гвинтовою обмоткою з FFHR, стохастичний шар створювався перекриттям резонансів з кутом перекручування 1/2 і 1/3. Пораховані співвідношення між часами виходу частинок, що характерні для магнітної конфігурації FFHR: e : He : D ~ 1 : 10 : 100, при енергії We,D=20 кеВ, WHe=350 кеВ і для всіх частинок (Рис. 5).

Електрони швидко переміщуються по стохастичному шару: максимально віддаляються по радіусу від центру об'єму утримання і після цього вертаються до нижньої межі стохастичного шару. Тому припускається, що рух електронів не вплине на структуру амбіполярного електричного поля в плазмі.

Розглядається вплив амбіполярного електричного поля з енергією eTe, що має місце в плазмі за рахунок різниці потоків частинок різного сорту, на процеси виходу частинок через стохастичний шар [3]. Показано, що амбіполярне електричне поле призводить до поліпшення утримання іонів основної плазми, якщо радіальна компонента поля негативна (Er<0), і не впливає на утримання іонів основної плазми в випадку, коли радіальна компонента поля позитивна (Er>0).

Результати 1-3 розділів, які наведені на графіках 1-5, отримані за допомогою чисельного розв'язання системи дрейфових рівнянь ведучого центру зарядженої частинки методами Адамса (1,3 розділи) та Рунге-Кутта (2 розділ). Аналітичні вирази для характеристик руху резонансної зарядженої частинки отримані за допомогою розв'язання лінеаризованої системи дрейфових рівнянь.

Розділ 4. Обговорення практичного застосування одержаних результатів.

Наводяться до розгляду питання, що пов'язані з практичним застосуванням результатів, що одержані в дисертаційній роботі.

У висновках наводяться отримані дисертантом нові наукові результати.

Висновки

В дисертаційній роботі теоретично досліджено резонанс зарядженої частинки, що рухається в гвинтовому магнітному полі, з магнітним збуренням та отримані наступні результати:

1. Розглянутий механізм керованого переносу резонансних заряджених частинок ("рух дрейфового острова") в магнітній конфігурації пастки з гвинтовою обмоткою з Force Free Helical Reactor (FFHR). Показано, що в магнітній конфігурації пастки FFHR для процесу "рух дрейфового острова" можна ефективно використовувати дрейфовий резонанс з кутом перекручування . Аналітично та чисельно продемонстрована властивість розпізнавання процесу "рух дрейфового острова" по відношенню до енергії W і значення параметра частинки. Знайдені аналітичні вирази для частоти зміни амплітуди основного гвинтового магнітного поля.

2. Досліджений вплив кулонівського розсіяння на дотримання умов дрейфового резонансу і процес "руху дрейфового острова". Пораховані значення параметрів профілю густини плазми, за яких кулонівське розсіяння не порушує умови дрейфового резонансу. Показано, що дрейфовий резонанс можна практично здійснити в плазмі термоядерної пастки Large Helical Device.

3. Розглянутий альтернативний засіб керування переносом заряджених частинок, що не вимагає зміни основного гвинтового магнітного поля. Цей засіб базується на використанні стохастизації траєкторії частинки для прискореного переносу заряджених частинок впоперек плазмової конфігурації. Запропонований принципово новий підхід до використання стохастизації траєкторії частинки - обмеження часу існування ззовні створюваного стохастичного шару таким чином, аби прольотні іони з високою енергією встигали минути стохастичний шар, від верхньої/нижньої його межі до нижньої/верхньої, а іони основної плазми не встигали це зробити. Чисельно визначене співвідношення для часів виходу частинок основної плазми: електронів (e), іонів (D) та іонів з високою енергією (He) через стохастичний шар в пастці FFHR: e : He : D ~ 1 : 10 : 100.

4. З'ясований вплив радіального амбіполярного електричного поля з енергією порядку теплової енергії частинок плазми на прискорений перенос заряджених частинок через стохастичний шар.

Встановлено, що радіальне амбіполярне електричне поле, що направлене з центру плазмової конфігурації назовні, не призводить до значних змін часів виходу частинок через стохастичний шар і не змінює співвідношення між часами виходу іонів з високою енергією і частинок основної плазми. Радіальне амбіполярне електричне поле, що направлене до центру плазмової конфігурації, виявляє різний вплив на перенос іонів високої енергії та іонів основної плазми:

Час виходу іона з високою енергією через стохастичний шар збільшується у порівнянні з попереднім випадком (амбіполярне поле відсутнє або його радіальна компонента позитивна);

Іон основної плазми не встигає вийти через стохастичний шар, а змінює характер руху і перетворюється з прольотної частинки на тороїдно замкнуту.

Таким чином, показано, що вплив амбіполярного електричного поля може сприяти підсиленню такої властивості стохастизації траєкторії частинки, як розпізнавання частинок по енергії.

магнітний плазма реактор дрейфовий

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

Шишкин А.А., Motojima O., Полуновский Э.И. Уширение резонансной дрейфовой траектории частицы и ввод трития в термоядерный реактор с l=3 винтовой обмоткой // Письма в ЖТФ. - 1999. - Т. 25, №2. - С. 5-12.

Shishkin A.A., Motojima O., Polunovskij E.I. Broadening of the particle resonance drift trajectory and tritium injection into a fusion reactor with an l=3 helical winding // Technical Physics Letters. - 1999. - V. 25, №1. - P. 43-46.

Polunovskij E.I., Shishkin A.A., Motojima O. Motion of Drift Island and Stochasticity in High Energy Ion Transport // Problems of Atomic Science and Technology. Series: plasma physics. - 1999. - issues 1(1), 2(2). - P. 62-64.

Полуновский Э.И., Шишкин А.А., Motojima O. Роль амбиполярного электрического поля в процессе управляемого стохастического переноса ионов в плазме термоядерного реактора // Вісник харківського університету. Серія фізична "Ядра, частинки, поля". - 1999. - Вип. 1/5/, №438. - С. 18-22.

Полуновский Э.И., Шишкин А.А., Motojima O., Муратов В.И. Дрейфовый резонанс заряженной частицы в тороидальной магнитной ловушке при наличии кулоновского рассеяния // Вісник харківського університету. Серія фізична "Ядра, частинки, поля". - 1999. - Вип. 2/6/, №443. - С. 41-46.

Motojima O., Watanabe K.Y., Sagara A., Yamazaki K., Shishkin A.A., Zolotukhin A.V., Smirnova M.S., Sidorenko I.N., Belash N.A., Polunovskij E.I., Shishkin O.A. Progress in Reactor Heliotron/Torsatron Physics Study // Proc. 23rd European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. - Kiev (Ukraine), 1996. - P. 551-554.

Motojima O., Shishkin A.A., Sidorenko I.N., Polunovskij E.I. Particle Orbits in Quadrupole Large Helical Device Configurations // Proc. 23rd European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. - Kiev (Ukraine), 1996. - P. 555-558.

Анотація

Полуновський Е.І. Резонансні дрейфові траєкторії заряджених частинок у гвинтових магнітних полях в термоядерній плазмі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 -- фізика плазми. - Харківський державний університет, Харків, 1999.

В дисертаційній роботі теоретично досліджений резонанс зарядженої частинки, яка рухається в магнітному полі, силові лінії якого мають обертальне перетворення, з гвинтовим магнітним збуренням. Розглянуті резонансні явища: "рух дрейфового острова" і стохастизація траєкторії руху зарядженої частинки, - у застосуванні до задач керованого селективного по енергіях частинок транспорту прольотних заряджених частинок впоперек плазмової конфігурації. Вивчений вплив кулонівського розсіяння в плазмі термоядерного реактора на дотримання умови дрейфового резонансу. Виявлено, що при певних параметрах профілю густини плазми кулонівське розсіяння виділених резонансних частинок на частинках плазми не припиняє процесу "рух дрейфового острова". Запропоновано обмежувати час існування стохастичного шару для того, щоб зробити стохастичний перенос селективним по енергіях частинок. Також виявлено, що вплив амбіполярного електричного поля може сприяти підсиленню властивості селективності по енергіях частинок процесу стохастизації траєкторії частинки.

Ключові слова: резонанс, обертальне перетворення, дрейфовий острів, стохастизація, кулонівське розсіяння, амбіполярне електричне поле.

Аннотация

Полуновский Э.И. Резонансные дрейфовые траектории заряженных частиц в винтовых магнитных полях в термоядерной плазме. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Харьковский государственный университет, Харьков, 1999.

В диссертационной работе теоретически исследован резонанс заряженной частицы, двигающейся в магнитном поле с вращательным преобразованием силовых линий, с возмущающим винтовым магнитным полем.

Рассмотрено резонансное явление: "движение дрейфового острова", - в приложении к задачам управляемого избирательного по энергиям частиц транспорта пролетных заряженных частиц поперек плазменной конфигурации в тороидальной термоядерной ловушке торсатронного типа. К таким задачам можно отнести следующие: ввод заряженных частиц термоядерного топлива с периферии плазменной конфигурации в центр плазмы, удаление частиц гелиевой золы из объема удержания.

Показано, что свойство избирательности по энергиям частиц "движения дрейфового острова" зависит от частоты изменения амплитуды основного винтового магнитного поля. Введено понятие критической, для "движения дрейфового острова", частоты изменения основного винтового магнитного поля и для нее получены аналитические выражения. Изучено влияние кулоновского рассеяния в плазме термоядерного реактора на соблюдение условия дрейфового резонанса. Найдены параметры радиального профиля плотности плазмы, при которых кулоновское рассеяние выделенных резонансных частиц на частицах плазмы не прерывает процесса "движение дрейфового острова", а именно: значение плотности плазмы в центре плазменной конфигурации термоядерного реактора и крутизна наклона радиального профиля плотности плазмы. Показано, что чем ближе форма радиального профиля плотности плазмы к "столообразной", тем сложнее транспортировать резонансную заряженную частицу поперек плазменной конфигурации, и, наоборот, чем ближе форма радиального профиля плотности плазмы к "колоколообразной", тем легче происходит "движение дрейфового острова".

Механизм "движение дрейфового острова" предполагает медленное изменение амплитуды основного винтового магнитного поля, то есть медленное изменение токов в винтовой обмотке. Однако в современных тороидальных магнитных ловушках торсатронного типа винтовая обмотка состоит из сверхпроводящих катушек, и достаточно быстрое изменение величины токов в них может стать причиной разрушения сверхпроводящего состояния. Поэтому в диссертации рассмотрен альтернативный механизм управляемого избирательного по энергиям частиц транспорта пролетных заряженных частиц поперек плазменной конфигурации - стохастизация траекторий движения заряженных частиц. Этот механизм не предполагает изменения основной магнитной конфигурации.

Предложено ограничивать время существования создаваемого стохастического слоя для того, чтобы сделать стохастический перенос избирательным по энергиям частиц. Получены соотношения между временами ухода ионов с высокой энергией и частиц основной плазмы через стохастический слой, характерные для магнитной конфигурации термоядерного реактора торсатронного типа. Также показано, что влияние амбиполярного электрического поля может способствовать усилению свойства избирательности по энергиям частиц процесса стохастизации траектории частицы.

Ключевые слова: резонанс, вращательное преобразование, дрейфовый остров, стохастизация, кулоновское рассеяние, амбиполярное электрическое поле.

Annotation

Polunovskij E.I. The resonance drift trajectories of the charged particles in helical magnetic fields in fusion plasma. - Manuscript.

Theses for a Candidate of Sciences Degree in Physics and Mathematics, speciality 01.04.08 - Physics of plasma. - Kharkov State University, Kharkov, 1999.

In the dissertation, the drift resonance of charged particle with magnetic field perturbation has been theoretically studied. The particle moves in the magnetic field, which has rotational transformation of force lines. The resonance phenomena - drift island motion and stochastisation trajectories of charged particle motion - have been considered for the purposes of controlled selective transport across the plasma. The influence of the Coulomb scattering in fusion plasma on the condition of drift resonance has been examined. The parameters of plasma density profile, when the Coulomb scattering of resonance particles on plasma particles does not interrupt drift island motion, have been found. The limitation of the life time of stochastic layer, which is produced, has been proposed to introduce selectivity into the stochastic transport. Finally it has been shown that the influence of ambipolar electrical field may promote increase of energy selectivity of stochastic transport.

Key words: resonance, rotational transformation, drift island, stochasticity, Coulomb scattering, ambipolar electrical field.

Размещено на Allbest.ru