Физика плазмы

Приводятся результаты первых гирокинетических расчетов аномальных тепловых потоков в плазме токамака Т-10, полученные для типичных условий разряда с омическим нагревом #71568. Расчеты выполнены в суперкомпьютерном центре Курчатовского института. В качестве входных данных используются экспериментально измеренные профили электронной плотности и температуры, профили ионной температуры с большим градиентом, приводящие к так называемой ITG (Ion Temperature Gradient) турбулентности, а также измеренные с помощью активной диагностики CXRS (Charge eXchange Recombination Spectroscopy) профили плотностей примесей углерода и кислорода. “Экспериментальные” потоки тепла электронов и ионов оцениваются из условия теплового баланса с помощью транспортного кода ASTRA. Приводится аналитическая зависимость тепловых потоков от эффективного заряда плазмы. Гирокинетические расчеты аномальных электронных и ионных тепловых потоков впервые проводятся для токамака Т-10. Используется известный гирокинетический код GENE в так называемом линейном и нелинейном приближении с фиксированными градиентами плотности и температуры c учетом влияния примесей углерода и кислорода. Найдена линейная зависимость тепловых потоков от эффективного заряда плазмы, исследуется чувствительность результатов к погрешностям входных параметров. Результаты гирокинетических расчетов для токамака Т-10 сравниваются с результатами, полученными для установок с аналогичными входными параметрами. Проведено сравнение гирокинетических расчетов тепловых потоков, выполненных с помощью кода GENE, c результатами расчетов кода CONTRA-T, предназначенного для самосогласованного моделирования низкочастотной турбулентности и транспортных процессов в токамаках с большим аспектным отношением. Полученное в работе хорошее соответствие между результатами расчетов переноса с помощью кодов ASTRA, GENE, CONTRA-T, основанных на различных транспортных моделях для омического разряда токамака c Т-10 с круглым сечением, дает основание для дальнейшего моделирования транспортных процессов в плазме с дополнительным нагревом и более сложной формой сечения плазменного шнура.

Представлено систематическое изложение метода функций Вигнера (формализм Вейля) для моделирования распространения и поглощения электромагнитных волн в анизотропных и гиротропных диссипативных средах с пространственной дисперсией. Сформулировано общее кинетическое уравнение для функции (тензора) Вигнера и построено его асимптотическое разложение вплоть до второго порядка для плавнонеоднородных и слабодиссипативных сред. В результате предложена модификация метода “кинетического уравнения для лучей”, основанная на стохастическом описании лучей, позволяющая повысить точность численного моделирования волновых задач с сильной поперечной неоднородностью коэффициента поглощения без увеличения объема вычислений. Развитая техника может применяться для описания распространения, поглощения и рассеяния волн электронно-циклотронного диапазона в высокотемпературной плазме магнитных ловушек УТС в случаях, когда стандартные методы моделирования не обеспечивают необходимой точности.

На установке “Ангара-5-1” проводились экспериментальные исследования дейтериевого Z-пинча при токе 2–2.5 МА, нарастающем за 100 нс. Выход нейтронов в опытах составлял от 5∙10 ¹⁰ до 8∙10 ¹¹ нейтронов за импульс. С целью объяснения результатов экспериментов были проведены двумерные МГД-расчеты с учетом генерации ДД-нейтронов с помощью термоядерного и ускорительного механизмов. МГД-расчеты пинча, проведенные с учетом распределения плотности дейтерия в газовой струе, дают удовлетворительное согласие с измерениями напряжения. Величина нейтронного выхода в расчетах составляет от 4∙10 ¹⁰ до 1.5∙10 ¹¹ в зависимости от плотности дейтерия и величины задержки между началом напуска газа и моментом пуска генератора. Энергия ускоренных дейтронов, приводящих в ускорительном механизме к генерации нейтронов, в расчетах составляет от 55 до 900 кэВ, что удовлетворительно согласуется с оценками, полученными в экспериментальной работе. Важным отличием генерации нейтронов в быстром газовом Z-пинче от генерации нейтронов в плазменном фокусе является то, что вклады термоядерного и ускорительного механизмов в генерацию нейтронов в быстром газовом Z-пинче оказываются соизмеримыми, тогда как в плазменном фокусе основным механизмом генерации нейтронов является ускорительный.

Впервые изучен отбор пылевых частиц в объемной плазменно-пылевой ловушке в безэлектродном высокочастотной разряде индукционного типа в неоне. Подобраны условия разряда и конструкция разрядной камеры, при которых в образовавшейся пылевой ловушке созданы пылевые структуры из полидисперсных частиц кварца протяженностью до 1.5 см с числом частиц до 4000. Статистический анализ размеров уловленных частиц показал, что в выбранных условиях средний размер частиц близок к 4 мкм и слабо зависит от давления газа неона в широком интервале от 0.25 до 1.0 Торр. Обнаружено, что сформированная объемная пылевая структура обладает аномально большим изменением продольного межчастичного расстояния по сравнению с пылевой плазмой в тлеющем разряде. Характерный размер уловленных частиц оценен на основе вертикального баланса сил, действующих на пылевую частицу. Показано, что по ряду параметров метод отбора частиц в высокочастотном разряде индукционного типа более предпочтителен, чем аналогичный метод, используемый в тлеющем разряде в стратах, а примененная пылевая ловушка может использоваться для исследования объемной пылевой плазмы в магнитном поле.

Рассчитана интенсивность фоторекомбинационного излучения, которая определяет излучение термодинамически равновесной горячей плазмы при заметной степени ионизации. В случае воздуха вклад коротковолнового излучения в области длин волн 60–100 нм в полную мощность излучения составляет примерно 90%. При температурах выше 10 кК этот вклад не зависит от температуры.

Проведены экспериментальные исследования пробоя и зажигания разряда в разрядных трубках диаметром порядка 1 см и длиной 80 см в инертных газах (неон, аргон, криптон, ксенон) при давлении порядка 1 Торр. Трубка освещалась излучением постоянных или импульсных источников света видимого диапазона спектра. К аноду трубки прикладывалось линейно-растущее напряжение с малой крутизной фронта (около 50 В/с). В предыдущих работах авторов было установлено, что в этих условиях внешнее освещение может в несколько раз увеличивать напряжение пробоя. Этот эффект объяснялся появлением заряда на стенке трубки в результате фотодесорбции электронов с ее внутренней поверхности. В данной работе установлено, что процесс зарядки стенки начинается только когда потенциал анода приближается к потенциалу пробоя, измеренному в отсутствие освещения. Кроме того, обнаружено, что в процессе роста напряжения на аноде и зарядки стенки потенциал анода отличается от пробивного потенциала на постоянную и небольшую величину (меньше 200 В).

Дан обзор новых наиболее интересных результатов, представленных на LI Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, состоявшейся с 18 по 22 марта 2024 г. в Звенигороде, Московской области. Проведен анализ достижений в основных направлениях развития исследований в области физики плазмы в России и их сравнение с работами за рубежом.