Анотація до роботи:

Махлай В.О. Генерація потужних замагнічених потоків плазми повноблочним квазістаціонарним плазмовим прискорювачем й аналіз їх взаємодії з поверхнею матеріалів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08. – фізика плазми. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2005.

В дисертації наведено експериментальні дослідження характеристик плазмових потоків, які генеруються повноблочним квазістаціонарним прискорювачем плазми КСПП Х-50, та основних особливостей взаємодії потужних плазмових потоків із поздовжнім магнітним полем і з поверхнями зразків. Параметри потоків плазми варіювалися зміною робочої напруги, комутації конденсаторної батареї й профілю основного прискорювального каналу КСПП. Проведено аналіз ефективності транспортування та замагнічування потужних потоків плазми в зовнішньому поздовжньому магнітному полі в залежності від параметрів потоку плазми. Показано, що повний енерговміст у плазмових потоках, які проходить через магнітний соленоїд, суттєвим чином залежить від величини індукції магнітного поля. Основні параметри екрануючіх плазмових шарів, що утворюються поблизу поверхні зразка, яка опромінюється потужними потоками плазми, визначаються параметрами налітаючого потоку плазми, розмірами мішені й величиною зовнішнього магнітного поля. Формування таких плазмових шарів відіграє важливу роль у процесах передачі енергії поверхні мішені. Енергетичне навантаження на поверхню зразка складає менш ніж 10 % від енергії, яка міститься у налітаючому плазмовому потоці. Наведені також деякі результати аналізу ерозії поверхні графіту та металів, опромінених плазмовими потоками КСПП із потужними тепловими навантаженнями.

У дисертаційній роботі наведено розв’язання наукової задачі, що стосується генерації замагнічених потужних квазістаціонарних потоків плазми та їх взаємодії з поверхнями матеріалів. Аналіз процесів замагнічування потоків плазми, які генеруються потужним повноблочним квазістаціонарним прискорювачем плазми КСПП Х-50 у процесі інжекції та руху у поздовжньому аксіально-симетричному магнітному полі, а також властивостей перехідних плазмових шарів, які утворюються при взаємодії потоків плазми з поверхнями матеріалів, проведено за допомогою добре відомих й випробуваних діагностичних методик. Результати вивчення взаємодії потужних плазмових потоків із магнітними полями та матеріалами дають можливість експериментального моделювання процесів, що матимуть місце у диверторі термоядерного токамака-реактора при аномальних режимах його роботи.

Основні наукові висновки дисертаційної роботи:

1. Основні параметри плазмових потоків, які генеруються повноблочним квазістаціонарним прискорювачем плазми КСПП Х-50, істотно залежать від характеристик систем енергоживлення, узгодженості режимів роботи окремих активних елементів КСПП та профілю прискорювального каналу.

4. За оптимальних умов узгодження режимів роботи першого ступіня й основного прискорювального каналу КСПП Х-50, які реалізуються при ініціюванні додаткового розряду в дрейфовому каналі, повний енерговміст у потоках плазми, які генеруються прискорювачем, збільшується приблизно удвічі.

5. В оптимальному режимі роботи КСПП Х-50 у вільному від зовнішніх полів просторі отримані потоки плазми з густиною енергії » 2,4 кДж/см² та повним енерговмістом близько 400 кДж.

6. Тривалість квазістаціонарної фази прискорення зростає зі збільшенням часу введення потужності в прискорювальний канал КСПП Х-50.

7. При використанні у КСПП Х-50 стрижневого катодного трансформера з профілем, що максимально відповідає теоретично розрахованому, спостерігається більш ефективне стискання плазмового потоку за межами прискорювального каналу КСПП.

У процесі інжекції та руху потоків плазми у поздовжньому плавно наростаючому аксіально-симетричному магнітному полі отримані потужні замагнічені плазмові потоки.

1. При зміні режиму роботи плазмового прискорювача й величини індукції зовнішнього магнітного поля повний енерговміст у плазмових потоках, що рухаються в магнітному полі, варіювався в широких межах (540) % енергії, що міститься в налітаючому потоці плазми.

2. Рух плазмових потоків у магнітному полі супроводжується проникненням поля в плазму. При індукції поля В₀ 5,4 кГс і повному енерговмісті в плазмі W₀ 240 кДж магнітне поле в плазмовому потоці на виході з магнітної системи складає ~ 90 % від величини вакуумного магнітного поля.

3. Отримані замагнічені потоки плазми (b » (1020)%) з питомою потужністю до 20 МВт/см² і тривалістю (150170) мкс та з питомою потужністю близько 4 МВт/см² упродовж понад (230250) мкс у режимах «короткого» та «довгого» імпульсів, відповідно.

4. При інжекції до поздовжнього магнітного поля плазмових потоків, які генеруються КСПП Х-50 із профілем прискорювального каналу, максимально наближеним до розрахованого, істотно поліпшуються умови входу плазми до магнітного поля.

Замагнічені потужні потоки плазми (із максимальною питомою потужністю до 20 МВт/см²) використовувалися для проведення модельних експериментів для дослідження процесів, що матимуть місце при взаємодії потоків плазми з диверторними пластинами в умовах теплової фази зриву струму у токамаці-реакторі.

1. При взаємодії потужних потоків плазми з поверхнею зразка формується перехідний плазмовий шар, густина плазми в якому більш ніж на порядок величини перевищує густину налітаючого плазмового потоку. Розмір перехідного плазмового шару збільшується зі зростанням розміру зразка й індукції зовнішнього магнітного поля. Розподіл магнітного поля в плазмі перехідного шару поблизу поверхні перешкоди, яка опромінюється замагніченими плазмовими потоками, істотно залежить від її поперечних розмірів, а також від електропровідності матеріалу мішені.

2. Формування перехідного плазмового шару приводить до істотного зменшення енергетичного навантаження на поверхню, що опромінюється. Поверхні мішені досягає менше 10 % енергії, яка міститься в налітаючому плазмовому потоці. Значна частина енергії налітаючого плазмового потоку виноситься потоками плазми, що обтікають перешкоду.

3. При взаємодії потужних квазістаціонарних потоків плазми зі зразками спостерігається досить сильний ефект впливу плазми на поверхні матеріалів. У вільному від зовнішніх полів просторі середня глибина ерозії графіту на 1 кДж/см² енергії налітаючого потоку становила » 1 мкм та зменшувалась до (0,30,4) мкм у магнітному полі, що обумовлено ростом екрануючих властивостей перехідних плазмових шарів. Основним механізмом ерозії є випар матеріалу мішені.

4. При взаємодії потужних квазістаціонарних замагнічених плазмових потоків із металевими мішенями спостерігається перегрів із наступним розплавом їхніх поверхонь. Ерозія опроміненої поверхні в основному обумовлена рухом розплавленого шару під дією тиску налітаючого потоку плазми.

Публікації автора:

1. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Garkusha V.V., Makhlaj V.A., Mitina N.I., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V., Wuerz H. Characteristics of the transient plasma layers produced by irradiation of graphite targets by high power quasi-stationary plasma streams under the disruption simulation experiments // Journal of Nuclear Materials. –1996. –Vol. 233-237, – P.736-740.

2. Tereshin V.I., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Mitina N.I., Morozov A.I., Solyakov D.G., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V., Wuerz H. Investigation of high power quasi-steady-state plasma streams interaction with mirror magnetic field and quench disruption simulation // Transactions of fusion technology. –1999. – Vol.35, №1T,-P.248-252.

3. Tereshin V.I., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Mitina N.I., Morozov A.I., Solyakov D.G., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V., Wuerz H. Powerful Qusi-Steady-State Plasma Accelerator for Fusion Experiments // Brazilian Journal of Physics. –2002. –Vol. 32, №1. – P.165-171.

4. Makhlaj V.A., Bandura A.N., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V., Wuerz H. Transportation of QSPA plasma streams in longitudinal magnetic field // Problems of Atomic Science and Technology, series “Plasma Physics”. – 2002. – №4. – С. 129-131.

5. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Mitina N.I., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A. V., Wuerz H. Plasma shield dynamics under high-power plasma stream irradiation of target surface // Problems of Atomic Science and Technology, series “Plasma Physics”. –2000.–№ 3. – С. 90-92.

6. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Mitina N.I., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A. V., Wuerz H. Magnetic field distributions in plasma shield during high-power plasma stream-targets interaction // Problems of Atomic Science and Technology, series “Plasma Physics”. –2000. – №6. – С. 100-102.

7. Bandura A.N., Byrka O.V., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Makhlaj V.A., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Wuerz H. Melt layer behavior of metal targets irradiated by powerful plasma streams // Journal of Nuclear Materials. – 2002. –Vol. 307-311. – P. 106-110.

8. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Garkusha V.V., Kulik N.V., Makhlaj V.A, Mitina N.I., Solyakov D. G., Tereshin V. I., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V., Wuerz H. Investigation of the quasistationary plasma flow in the axial magnetic field and modeling experiments on the current disruption // Proc. European Physical Society conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (EPS 23). – Kiev (Ukraine). – 1996. – Contributed papers, part 3, p. 1450-1453.

9. Bandura A.N., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Lobko A.K., Makhlaj V.A., Solyakov D.G., Tereshin V.I., Trubchaninov S.A. Tsarenko A.V. Influence of accelerating channel geometry on plasma stream parameters and its dynamics in external magnetic field // Proc. International Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG) XXVI. – Greifswald (Germany). – 2003. – Vol. 1. – P. 123-124.

10. Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Lapshin V.I., Makhlaj V.A., Solyakov D.G., Tereshin V.I. Distributions of Electric Currents in Compression and Accelerating Operational Modes of Quasi-Steady-State Plasma Accelerator. // Proc. 30^th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (EPS 30). – S-Petersburg (Russia). – 2003. ECA. – Vol. 27A. – P-4.106.

11. Tereshin V.I., Chebotarev V.V., Garkusha I.E., Garkusha V.V., Mitina N.I., Makhlaj V.A , Solyakov D.G., Trubchaninov S.A., Tsarenko A.V., Kuilk N.V., Pavlichenko O.S., Wuerz H. Analysis of characteristics of plasma shielding layers in the disruption modeling experiments // Proc. International symposium "Research and applications of plasma” ("Plasma 97"). – Opole (Poland). – 1997. – P. 111-114.