Исследование функции распределения энергичных ионов в крупномасштабной открытой ловушке ГДЛ методом коллективного рассеяния микроволнового излучения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-72-20139

НазваниеИсследование функции распределения энергичных ионов в крупномасштабной открытой ловушке ГДЛ методом коллективного рассеяния микроволнового излучения

Руководитель Шалашов Александр Геннадиевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые слова коллективное рассеяние, гиротрон, микроволновые методы диагностики плазмы, функция распределения энергичных ионов, открытая магнитная ловушка, высокотемпературная плазма, управляемый термоядерный синтез

Код ГРНТИ29.27.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен экспериментальному исследованию физики удержания энергичных ионов в открытой магнитной ловушке с мощными нейтральными пучками с целью достижения предельных параметров высокотемпературной плазмы, необходимых для термоядерных приложений. Эксперимент планируется провести на ведущей мировой установке ГДЛ (газодинамическая ловушка), входящей в состав комплекса уникальных научных установок и центров коллективного пользования ИЯФ СО РАН (объекта инфраструктуры). На этой установке усилиями авторов проекта был достигнут значительный прогресс во времени удержания энергичных ионов и в нейтронном выходе за счет селективного вклада в электронную компоненту плазмы СВЧ мощности в условиях электронного циклотронного резонанса. Эти достижения привели к заметному пересмотру перспектив использования аксиально-симметричных ловушек как мощного источника термоядерных нейтронов для материаловедческих исследований по программе управляемого термоядерного синтеза, реактора для «дожигания» радиоактивных элементов для глубокой переработки ядерных отходов, гибридного энергетического реактора, работающего по схеме синтез-деление, и, в перспективе, реактора ядерного синтеза. Во всех указанных приложениях быстрые нейтроны появляются в результате термоядерной реакции при столкновении быстрых ионов друг с другом и с теплыми ионами фоновой плазмы. Поскольку функция распределения энергичных ионов является сильно анизотропной в пространстве скоростей, то вблизи «точек разворота» ионов в магнитном поле их концентрация сильно (до 3 раз) возрастает и нейтронный выход увеличивается. Электронный циклотронный нагрев плазмы приводит к подавлению соударений с тепловыми электронами (основного канала потерь энергичных ионов в условиях ГДЛ) и изменению анизотропии функции распределения быстрых ионов. Отсюда возникает фундаментальный вопрос, ответ на который пытаются найти авторы проекта: насколько анизотропное распределение горячих ионов по скоростям можно реализовать при сохранении устойчивости разряда в термоядерной открытой магнитной ловушке. В данном проекте предлагается пилотное исследование возможности прямого бесконтактного измерения функции распределения горячих ионов в объеме ловушки, основанного на регистрации спектров рассеяния миллиметрового излучения мощного гиротрона на флуктуациях электронной плотности (метод коллективного томсоновского рассеяния). Этот метод измерения характеристик ионной функции распределения широко применяется в тороидальных магнитных ловушках, однако для прямых магнитных ловушек он предлагается впервые и потребует адаптации к новым условиям. Планируется провести теоретический анализ оптимального способа реализации такой диагностики в большой линейной ловушки, с использованием уже имеющихся на установке компонентов создать диагностический комплекс, провести пилотный эксперимент по измерению спектров рассеяния и восстановлению функции распределения горячих ионов по энергиям и питч-углам и, в случае успеха, внедрить новый метод измерения как штатную диагностику. Развитие нового способа измерения функции распределения энергичных ионов позволит провести на новом уровне физические исследования на установке ГДЛ и продвинуться в решении обозначенного выше фундаментального вопроса. Часть этих исследований планируется выполнить на завершающем этапе проекта: мы собираемся проверить адиабатический характер удержания горячих ионов в установке и определить влияние температуры электронов, в том числе -- предельно высокой температуры, на функцию распределения ионов. Для проверки адиабатического удержания ионов будут сравниваться их функции распределения, измеренные в двух разных сечениях магнитной силовой трубки. Для исследования влияния высокой электронной температуры на функцию распределения ионов планируется совместное использование двух гиротронов: одного в качестве источника зондирующего излучения, другого для прямого нагрева электронов в условиях электронного циклотронного резонанса. В настоящее время проведение описанных исследований возможно только на установке ГДЛ, они органично вписываются в общую программу исследований комплекса магнитных ловушек в ИЯФ СО РАН, которая, в свою очередь, определяет мировой уровень и тенденции в области удержания термоядерной плазмы в открытых ловушках.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шалашов А.Г., Господчиков Е.Д., Хусаинов Т.А., Лубяко Л.В., Смолякова О.Б., Соломахин А.Л. Collective Thomson scattering diagnostic for the GDT experiment Physics of Plasmas (год публикации - 2020)

Публикации

1. Шалашов А.Г., Господчиков Е.Д., Хусаинов Т.А., Лубяко Л.В., Смолякова О.Б., Соломахин А.Л. Collective Thomson scattering diagnostic for the GDT open magnetic trap Plasma Physics and Controlled Fusion, Vol. 62 p. 065010 (год публикации - 2020)
10.1088/1361-6587/ab83cc

2. Соломахин А.Л., Викторов М.Е., Господчиков Е.Д., Зайцев А.С., Лубяко Л.В., Шалашов А.Г., Яковлев Д.В. Коллективное томсоновское рассеяние на ГДЛ Тезисы докладов 47-й Международной (Звенигородской) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, г. Звенигород, 16-20 марта 2020 г. ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», стр. 70 (год публикации - 2020)
10.34854/ICPAF.2020.47.1.034

3. Господчиков Е.Д., Хусаинов Т.А., Шалашов А.Г. О восстановлении двумерной функции распределения ионов в пробкотроне по измерениям спектров коллективного томсоновского рассеяния Физика плазмы (год публикации - 2021)
10.13140/RG.2.2.20823.91047

Публикации

1. Шалашов А.Г., Господчиков Е.Д., Хусаинов Т.А., Лубяко Л.В., Соломахин. А.Л., Викторов М.Е. Development of fast-ion collective Thomson scattering diagnostics for the GDT experiment Journal of Instrumentation, Vol. 16, P. 07007 (год публикации - 2021)
10.1088/1748-0221/16/07/P07007

2. Лубяко Л. В., Шалашов А. Г., Андриянов А. Ф., Божков В. Г., Господчиков Е. Д., Дорожкина Д. С. Комплекс приемной аппаратуры для регистрации спектров коллективного томсоновского рассеяния на установке ГДЛ Изв. вузов: Радиофизика, Т. 64, № 5. С. 373–383 (год публикации - 2021)
10.52452/00213462_2021_64_05_373

3. Господчиков Е.Д., Хусаинов Т.А., Шалашов А.Г. О рассеянии микроволновых пучков с конечной апертурой на флуктуациях плотности в неоднородной магнитоактивной плазме Физика плазмы (год публикации - 2022)

4. Господчиков Е.Д., Шалашов А.Г., Лубяко Л.В., Соломахин А.Л., Викторов М.Е., Хусаинов Т.А., Смолякова О.Б., Приходько В.В., Багрянский П.А. Feasibility study of collective Thomson scattering diagnostic of fast ion distribution function for the GDT experiments Europhysics Conference Abstracts 47th EPS Conference on Plasma Physics, Vol. 45A, P3.1009 (год публикации - 2021)

Публикации

1. Е. Д. Господчиков, Т. А. Хусаинов, А. Г. Шалашов О восстановлении двумерной функции распределения ионов в пробкотроне по измерениям спектров коллективного томсоновского рассеяния Физика плазмы, 47(6), 483–498 (год публикации - 2021)
10.31857/S0367292121060056

2. Шалашов А.Г., Господчиков Е.Д., Хусаинов Т.А., Лубяко Л.В., Соломахин А.Л., Яковлев Д.В. First results of collective Thomson scattering diagnostic of fast ions at the GDT open magnetic trap Physics of Plasmas, Vol. 29, P. 080702 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0101751

3. Шалашов А.Г., Господчиков Е.Д., Хусаинов Т.А., Соломахин А.Л., Яковлев Д.В., Багрянский П.А. Towards explanation of “broad” and “narrow” ECRH regimes observed in the GDT experiment Nuclear Fusion, V. 62, P. 124001 (год публикации - 2022)
10.1088/1741-4326/ac9293

4. Господчиков Е.Д., Хусаинов Т.А., Шалашов А.Г. On the Scattering of Finite-Aperture Microwave Beams from Density Fluctuations in Inhomogeneous Magnetized Plasma Plasma Physics Reports, Vol. 48, No. 3, pp. 229–241 (год публикации - 2022)
10.1134/S1063780X22030060

5. А. Г. Шалашов, Е. Д. Господчиков, Л. В. Лубяко, Т. А. Хусаинов, А. Л. Соломахин, М. Е. Викторов Диагностика быстрых ионов методом коллективного томсоновского рассеяния микроволнового излучения в открытой магнитной ловушке ГДЛ Известия вузов. Радиофизика, Т. 65 № 5-6. С. 353–369 (год публикации - 2022)

6. Т.А. Хусаинов, М.Д. Проявин, Л.В. Лубяко Режекторные фильтры, изготовленные методом 3D печати, для систем СВЧ диагностики установок УТС Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2023)