НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o940.pdf (749.69Кб)

УДК 533.9

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Обращенная магнитная конфигурация (FRC, Field Reversed Configuration) – магнитная ловушка для удержания термоядерной плазмы с высоким отношением давления плазмы к магнитному давлению (параметр бета ~ 1). FRC сочетает свойства замкнутых и открытых магнитных ловушек. Высокие бета потенциально позволяют достичь высокой мощности в относительно компактной системе. В работе дан обзор экспериментальных результатов и выполнен анализ теоретических моделей FRC, важных с точки зрения создания энергетических термоядерных устройств на основе FRC. Наиболее сложной проблемой является оценка турбулентного транспорта. Наиболее вероятной причиной турбулентного транспорта является развитие электромагнитных градиентных дрейфовых неустойчивостей. Оцененные параметры дрейфовых неустойчивостей соответствуют имеющимся данным измерений. Обсуждается транспортная модель, учитывающая поперечные потери из области замкнутых магнитных силовых линий и потери частиц вдоль открытых силовых линий. Проведенный анализ позволяет сформулировать модели термоядерной плазмы в FRC для обоснования эффективности энергетических систем на ее основе. Предварительные оценки параметров реактора показали, что время удержания может быть недостаточным для высокого коэффициента усиления мощности в плазме. Видимо, потребуется формирование так называемого улучшенного удержания. С другой стороны, система с низким коэффициентом усиления мощности может быть востребованной в качестве компактного источника термоядерных нейтронов.

1. Khvesyuk V.I., Chirkov A.Yu. Low-radioactiv ity D–³He fusion fuel cycles with³He production // Plasma Phys. Control . Fusion . 2002. V ol . 44, no. 2. P . 253–260.
2. Чирков А.Ю. Энергетическая эффективность альтернативных термоядерных систем с магнитным удержанием плазмы // Ядерная физика и инжиниринг. 2013. Т. 4, № 11–12. С. 1050–1059.
3. Куртмуллаев Р.Х., Малютин А.И., Семенов В.Н. Компактный тор // Итоги науки и техники. Физика плазмы . Т . 7. М .: ВИНИТИ , 1985. С . 80–135.
4. Tuszewski M. Field reversed configurations // Nuclear Fusion. 1988. Vol. 28, no. 11. P. 2033–2092. DOI:10.1088/0029-5515/28/11/008
5. Steinhauer L.C. Review of field-reversed configurations // Phys. Plasmas. 2011. Vol. 18. Art. no. 070501 (38 pp.). DOI: 10.1063/1.3613680
6. Tuszewski M., Smirnov A., Deng B.H., et al. Combined FRC and mirror plasma studies in the C-2 device // Fusion Sci. Technol. 2011. Vol. 59, no. 1T. P. 23–26.
7. Hoffman A.L., Slough J.T. Field reversed configuration lifetime scaling based on measurements from the large s experiment // Nuclear Fusion. 1993. Vol. 33, no. 1. P. 27–38. DOI: 10.1088/0029-5515/33/1/I03
8. Iwasawa N., Ishida A., Steinhauer L.C. Tilt mode stability scaling in field-reversed configurations with finite Larmor radius effect // Phys. Plasmas. 2000. Vol. 7. P. 931– 934. DOI: 10.1063/1.873890
9. Guo H.Y., Binderbauer M.W., Barnes D., et al. Formation of a long-lived hot field reversed configuration by dynamically merging two colliding high-  compact toroids // Phys. Plasmas. 2011. Vol. 18. Art. no. 056110 (10 pp.). DOI: 10.1063/1.3574380
10. Slough J., Votroubek G., Pihl C. Creation of a high-temperature plasma through merging and compression of supersonic field reversed configuration plasmoids // Nuclear Fusion. 2011. Vol. 51, no. 5. Art. no. 053008 (10 pp.). DOI: 10.1088/0029-5515/51/5/053008
11. Ono Y., Matsuyama T., Umeda K., Kawamori E. Spontaneous and artificial generation of sheared-flow in oblate FRCs in TS-3 and TS-4 FRC experiments // Nuclear Fusion. 2003. Vol. 43, no. 8. P. 649–654. DOI: 10.1088/0029-5515/43/8/301
12. Mozgovoy A. Compact toroid formation in the inductive store // Proc. of the 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys. (St. Petersburg, 7-11 July 2003). Vol. 27A. ECA, 2003. P. 2.198.
13. Guo H.Y., Hoffman A.L., Steinhauer L.C. Observations of improved confinement in field reversed configurations sustained by antisymmetric rotating magnetic fields // Phys. Plasmas. 2005. Vol. 12. Art. no. 062507 (6 pp.). DOI: 10.1063/1.1930807
14. Inomoto M., Asai T., Okada S. Neutral beam injection heating on field-reversed configuration plasma decompressed through axial translation // Nuclear Fusion. 2008. Vol. 48, no. 3. Art. no. 035013 (8 pp.). DOI: 10.1088/0029-5515/48/3/035013
15. Hewett D.W. Spontaneous development of toroidal magnetic field during formation of field-reversed theta pinch // Nuclear Fusion. 1984. Vol. 24, no. 3. P. 349–357. DOI: 10.1088/0029-5515/24/3/009
16. Milroy R.D., Brackbill J.U. Toroidal magnetic field generation during compact toroid formation in a field-reversed theta pinch and conical theta pinch // Phys. Fluids. 1986. Vol. 29. P. 1184–1195. DOI: 10.1063/1.865867
17. Steinhauer L . C ., Guo H . Y . Nearby - fluid equilibria . II. Zonal flows in a high-beta, self-organized plasma experiment // Phys. Plasmas. 2006. Vol. 13. Art. no. 052514 (8 pp.). DOI: 10.1063/1.2200611
18. Hsiao M.-Y., Miley G.H. Velocity-space particle loss in field-reversed configurations // Phys. Fluids. 1985. Vol. 28. P. 1440 –1449. DOI: 10.1063/1.864978
19. Божокин С.В. Об удержании альфа-частиц в установках типа компактный тор // Физика плазмы. 1986. Т. 12. С. 1292–1296.
20. Хвесюк В.И., Хвесюк А.В., Ляхов А.Н. Глобальные стохастические частицы в ловушке с обращенной магнитной конфигурацией // Письма в Журнал технической физики. 1997. Т . 23, № 21. С . 37–39.
21. Landsman A.S., Cohen S.A., Glasser A.H. Regular and stochastic orbits of ions in a highly prolate field-reversed configuration // Phys. Plasmas. 2004. Vol. 11. P. 947–957. DOI: 10.1063/1.1638751
22. Takahashi T., Inoue K., Iwasawa N., Ishizuka T., Kondoh Y. Losses of neutral beam injected fast ions due to adiabaticity breaking processes in a field-reversed configuration // Phys. Plasmas. 2004. Vol. 11. P. 3131–3140. DOI: 10.1063/1.1724832
23. Lifschitz A.F., Farengo R., Arista N.R. Monte Carlo simulation of neutral beam injection into a field reversed configuration // Nuclear Fusion. 2002. Vol. 42, no. 7. P. 863–875. DOI: 10.1088/0029-5515/42/7/309
24. Lifschitz A.F., Farengo R., Hoffman A.L. Calculations of tangential neutral beam injection current drive efficiency for present moderate flux FRCs // Nuclear Fusion. 2004. Vol. 44, no. 9. P. 1015–1026. DOI: 10.1088/0029-5515/44/9/011
25. Ferrari H.E., Farengo R. Current drive and heating by fusion protons in a D–³He FRC reactor // Nuclear Fusion. 2008. Vol . 48, no . 3. Art . no. 035014 (8 pp. ). DOI: 10.1088/0029-5515/48/3/035014
26. Галкин С.А. Дроздов В.В., Семенов В.Н. Эволюция равновесия плазмы компактного тора с учетом различных каналов потерь // Физика плазмы. 1989. Т . 15, вып . 3. С . 288–299.
27. Macnab A.I.D., Barnes D.C., Milroy R.D., Kim C.C., Sovinec C.R. Simulations of the field-reversed configuration with the NIMROD code // J. Fusion Energy. 2007. Vol. 26, no. 1. P. 113–117. DOI: 10.1007/s10894-006-9070-1
28. Guo H.Y., Hoffman A.L., Steinhauer L.C., Miller K.E. Observations of improved stability and confinement in a high-beta self-organized spherical-torus-like field-reversed configuration // Phys. Rev . Lett . 2005. Vol . 95, no . 17. Art . no. 175001 (4 pp. ). DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.175001
29. Пустовитов В.Д. Влияние распределение тока на устойчивость приосевой области компактных торов // Физика плазмы. 1981. Т. 7, вып. 5. С. 973–980.
30. Вабищевич П.Н., Дегтярев Л.М., Дроздов В.В., Пошехонов Ю.Ю., Шафранов В.Д. О равновесных конфигурациях в компактных торах // Физика плазмы. 1981. Т . 7, вып . 5. С . 981–985.
31. Guo H.Y., Hoffman A.L., Milroy R.D., Miller K.E., Votroubek G.R. Stabilization of interchange modes by rotating magnetic fields // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 94, no. 18. Art. no. 185001 (4 pp.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.185001
32. Nishimura K., Horiuchi R., Sato T. Tilt stabilization by cycling ions crossing magnetic separatrix in a field-reversed configuration // Phys. Plasmas. 1997. Vol. 4. P. 4035–4042. DOI: 10.1063/1.872524
33. Iwasawa N., Ishida A., Steinhauer L.C. Tilt mode stability scaling in field-reversed configurations with finite Larmor radius effect // Phys Plasmas. 2000. Vol. 7. P. 931–934. DOI: 10.1063/1.873890
34. Omelchenko Y.A., Schaffer M.J., Parks P.B. Nonlinear stability of field-reversed configurations with self-generated toroidal field // Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8. P. 4463–4469. DOI: 10.1063/1.1401119
35. Krall N.A. Damping of lower hybrid waves by low-frequency drift waves // Phys. Fluids B. 1989. Vol. B1. P. 2213–2216. DOI: 10.1063/1.859036
36. Sobehart J.R., Farengo R. Low-frequency drift dissipative modes in field-reversed configurations // Phys. Fluids B. 1990. Vol. B2. P. 3206–3208. DOI: 10.1063/1.859230
37. Carlson A.W. A search for lower-hybrid-drift fluctuations in a field reversed configuration using CO₂ heterodyne scattering // Phys. Fluids. 1987. Vol. 30. P. 1497–1509. DOI: 10.1063/1.866263
38. Okada S., Kiso Y., Goto S., Ishimura T. Estimation of the electrical resistivity in field reversed configuration plasmas from detailed interferometric measurements // Phys. Fluids B. 1989. Vol. B1. P. 2422–2429. DOI: 10.1063/1.859177
39. Farengo R., Guzdar P.N., Lee Y.C. Collisionless electron temperature gradient-driven instability in field-reversed configurations // Phys. Fluids B. 1989. Vol. B1. P. 2181–2185. DOI: 10.1063/1.859031
40. Khvesyuk V.I., Chirkov A.Yu. Peculiarities of Collisionless Drift Instabilities in Poloidal Magnetic Configurations // Plasma Physics Reports. 2010. Vol. 36, no. 13. P. 1112–1119. DOI: 10.1134/S1063780X10130052
41. Chirkov A.Yu., Khvesyuk V.I. Electromagnetic drift instabilities in high-beta plasma under conditions of a field reversed configuration // Phys. Plasmas. 2010. Vol . 17, no . 1. Art . no. 012105 (8 pp. ). DOI: 10.1063/1.3283399
42. Чирков А.Ю., Хвесюк В.И. Особенности бесстолкновительных градиентных дрейфовых неустойчивостей в плазме с сильно неоднородным магнитным полем и высоким бета // Физика плазмы. 2011. Т . 37, № 5. С . 473–483.
43. Chirkov A.Yu. The effect of trapped particles on gradient drift instabilities in finite pressure plasma with longitudinally nonuniform magnetic field // J. Fusion Energy. 2014. Vol. 33, no. 2. P. 139–144. DOI: 10.1007/s10894-013-9649-2
44. Михайловский А.Б. Неустойчивости плазмы в магнитных ловушках. М.: Атомиздат, 1978.
45. Чирков А.Ю., Бендерский Л.А., Бердов Р.Д., Большакова А.Д. Модель транспорта в квазиравновесных обращенных магнитных конфигурациях // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2011. № 4. С. 15–27.
46. Бендерский Л.А., Чирков А.Ю. Эволюция глобальной структуры плазмы обращенной магнитной конфигурации в режимах турбулентного транспорта // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013. Т. 14, вып. 2. Режим доступа:http://chemphys.edu.ru/article/328/ (дата обращения 01.11.2014).
47. Takahashi T., Gota H., Nogi Y. Control of elongation for field-reversed configuration plasmas using axial field index of a mirror confinement field // Phys. Plasmas . 2004. Vol . 11. P . 4462–4467. DOI: 10.1063/1.1776563
48. Хвесюк В.И., Чирков А.Ю. Производство энергии в амбиполярных реакторах с D – T , D –³He и D – D топливными циклами // Письма в Журнал технической физики. 2000. Т. 26, № 21. С. 61–66.
49. Чирков А.Ю., Хвесюк В.И. К расчету функций распределения высокоэнергетичных ионов по скоростям // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2003. Вып. 1. С. 55-65.
50. Чирков А.Ю. О скейлингах для времени удержания плазмы в обращенной магнитной конфигурации // Прикладная физика. 2007. № 2. С . 31–36.
51. Khvesyuk V.I., Chirkov A.Yu. Stochastic drift wave model for anomalous transport in tandem mirror and FRC // Fusion Technol . 2001. Vol . 39, no. 1 T . P . 398–401.
52. Хвесюк В.И., Чирков А.Ю., Ковалев А.В. Некоторые особенности стохастической динамики частиц в замагниченной плазме // Физика плазмы. 2002. Т. 28, № 9. С. 854–857.
53. Хвесюк В.И., Чирков А.Ю. Анализ закономерностей рассеяния частиц плазмы на нестационарных флуктуациях // Журнал технической физики. 2004. Т. 74, № 4. С. 18–26.
54. Чирков А.Ю. О влиянии слабых электростатических возмущений на траектории пролетных частиц в магнитном поле токамака // Журнал технической физики. 2004. Т. 74, № 12. С. 47–51.
55. Хвесюк В.И., Чирков А.Ю. Параметры реактора с обращенным магнитным полем в режиме низкочастотных аномальных потерь // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2000. Вып. 3. С. 17–27.
56. Чирков А.Ю. Оценка параметров плазмы в D –³He -реакторе на основе обращенной магнитной конфигурации // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2006. Вып. 4. С. 57–67.
57. Чирков А.Ю. О возможности использования D –³He -цикла с наработкой³He в термоядерном реакторе на основе сферического токамака // Журнал технической физики. 2006. Т . 76, № 9. С . 51–54.
58. Чирков А.Ю. Малорадиоактивный термоядерный реактор на основе сферического токамака с сильным магнитным полем // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2011. № 3. Режим доступа:http://technomag.edu.ru/doc/167577.html (дата обращения 01.11.2014).
59. Chirkov A.Yu. Low radioactivity fusion reactor based on the spherical tokamak with a strong magnetic field // Journal of Fusion Energy. 2013. Vol . 32, no . 2. P . 208–214.