Проект направлен на исследование высокотемпературной плазмы с существенно немаксвелловской функцией распределения. В проекте предполагается экспериментальное исследование удержания энергичных ионов (ЭИ), возникающих в токамаке при ионизации инжектируемых в плазму быстрых нейтральных изотопов водорода (NBI), а также исследование роли ЭИ и убегающих электронов (УЭ) в возбуждении магнитогидродинамических колебаний.

Актуальность темы проекта обусловлена принципиальной ролью ЭИ в нагреве плазмы в будущем термоядерном реакторе. Нагрев плазмы в реакторе будет происходить путем столкновительной передачи энергии ЭИ, появляющихся в результате NBI или термоядерных реакций, основной компоненте высокотемпературной плазмы – тепловым ионам. При этом качество удержания ЭИ прямо влияет на экономическую эффективность реактора, поскольку наличие дополнительных по отношению к столкновительному торможению потерь затрудняет нагрев. Не менее актуальна задача исследования поведения энергичных частиц и для обоснования проекта термоядерного источника нейтронов, предназначенного для работы в составе гибридного "синтез-деление" ядерного реактора. предполагается, что в таком источнике около половины всех нейтронов будет обусловлено реакциями энергичных ионов с ионами плазменной мишени.

В ходе работ по проекту предполагается уточнить механизмы потерь ЭИ и степень их влияния на передачу энергии основной плазме. Поведение ЭИ будет исследоваться в экспериментах по NBI нагреву на токамаке ТУМАН-3М. Для исследования количества ЭИ предлагается использовать детектирование потока нейтронов, возникающих в результате термоядерной реакции слияния двух дейтронов: d+d=>He3+n(2,45 МэВ). Кроме того, потоки энергичных ионов, вылетающих из плазмы, будут измеряться с помощью анализаторов энергии нейтральных частиц, появляющихся при перезарядке ЭИ, – NPA. Для установления влияния магнитогидродинамических возмущений на удержание ЭИ будут измерены высокочастотные (в диапазоне до 1,2 МГц) МГД колебания альфвеновского типа. Одновременное применение трех диагностических методик позволит пролить свет на механизмы потерь и оценить их влияние на перспективность использования ЭИ для нагрева плазмы в системах с магнитным удержанием.

МГД колебания альфвеновского типа могут возбуждаться не только при NBI нагреве, но и при использовании электронно-циклотронного или нижне-гибридного методов нагрева, при которых в плазме создается значительная популяция надтепловых электронов. Однако, в плазме без дополнительного нагрева, как правило, надтепловые частицы отсутствуют и поэтому нет оснований ожидать возникновения таких колебаний. Тем не менее, в недавних экспериментах на токамаке ТУМАН-3М впервые были наблюдены высокочастотные (0,8-1,0 МГц) МГД колебания в отсутствие дополнительного нагрева. Эти колебания были идентифицированы как альфвеновские, но механизм их возбуждения пока остается невыясненным. Открытым остается и вопрос о возможности существования таких колебаний при включении дополнительного нагрева. В рамках настоящего проекта предлагается осуществить исследования, направленные на установление природы и физики возникновения альфвеновских колебаний в режиме омического нагрева и их влияния на ЭИ, генерируемые в процессе NBI нагрева. Эти исследования обладают несомненной новизной и имеют практический интерес, поскольку позволяют идентифицировать новый, пока неисследованный канал возможных потерь ЭИ.

Ожидаемые результаты

Качество удержания энергичных ионов можно оценить, сопоставляя время спада нейтронного потока после отключения NBI нагрева (отключение источника ЭИ) и время классического (столкновительного) торможения. Первые измерения времени спада нейтронного потока после отключения NBI, выполненные на токамаке ТУМАН-3М [Kornev V.A. et al, Tech. Phys. Lett., V.39(2013), No.3, p.290], показали наличие дополнительных потерь ЭИ. Отношение экспериментально измеренного времени спада к рассчитанному в предположении столкновительного торможения составило 0,85. В этих опытах установить механизм, ответственный за дополнительные потери, не удалось из-за недостаточности диагностических средств.

В ходе работы по проекту предполагается идентифицировать причину наблюденного ускоренного спада нейтронного потока и оценить его влияние на перспективы использования ЭИ для нагрева плазмы и генерации нейтронов. Возможными причинами могут быть: либо непосредственные потери ЭИ за счет диффузии на «неудерживаемые» траектории, обусловленной раскачкой альфвеновских колебаний, либо ускоренная передача энергии от ЭИ к тепловым ионам. Кроме того, возможно влияние недавно обнаруженного эффекта несохранения адиабатического инварианта в условиях значительной неоднородности магнитного поля [Vildjunas M.I. et al, Tech. Phys. Lett., V.39(2013), No.11, p.1019].

Будет установлено как влияет увеличение количества ЭИ в плазме на развитие возмущений альфвеновского типа. Это можно будет сделать при использовании нового ионного источника с увеличенным током в составе комплекса инжекционного нагрева. Новый источник (ИПМ-1) позволит получать пучки с током до 40 А, вместо 20 А, доступных ранее.

Также будут получены результаты, характеризующие влияние колебаний нового типа (см. выше), возникающих в фазе омического нагрева, на ЭИ, появляющиеся при включении NBI нагрева.

Таким образом, в результате выполнения плана работ будут идентифицированы механизмы потерь ЭИ из плазмы токамака ТУМАН-3М и будут получены сведения о зависимости интенсивности этих потерь от концентрации ЭИ.

Будут получены уникальные сведения о механизме возбуждения высокочастотных магнитогидродинамических возмущений в плазме без дополнительного нагрева, что даст новые сведения о физике альфвеновских мод в плазме с магнитным удержанием.

Результаты исследований, выполненных в рамках предлагаемого проекта, будут опубликованы в научной печати (10 статей в журналах, индексируемых Web of Science), доложены на конференциях по управляемому синтезу и физике высокотемпературной плазмы. Результаты имеют важное значение для проектирования реакторов и источников нейтронов на основе реакций УТС и поэтому будут востребованы научными работниками и проектировщиками реакторов. Планируемые результаты обладают научной новизной и практической значимостью, что обусловливает их мировой уровень. До настоящего времени по большинству запланированных исследований публикаций нет.