Том 50, № 9 (2024)

Приводится сравнительный анализ эволюции макро- и микропараметров плазмы при спонтанных и вынужденных переходных процессах в классическом квазистационарном стеллараторе Л-2М. Нагрев плазмы осуществлялся в режиме электронно-циклотронного резонансного нагрева (ЭЦРН) на второй гармонике гирочастоты в условиях высокого удельного энерговклада в диапазоне мощностей 0.8–2 МВт/м³. Спонтанные переходные процессы наблюдаются при постоянной мощности нагрева, а вынужденные инициированы скачкообразно растущей или убывающей мощностью нагрева. Проводится поиск связи эволюции макропараметров плазмы (в первую очередь энергетического времени жизни) с параметрами плазменной турбулентности. Приводятся физические модели явлений, определяющих динамические изменения макропараметров плазмы. Анализ данных высокочастотных диагностик позволяет выявить влияние МГД и кинетических неустойчивостей на переходные процессы в горячей плазме стелларатора, а также роль взаимодействия плазмы со стенками вакуумной камеры.

Дан обзор функциональных зависимостей для описания свойств атомных частиц, распыленных при ионной бомбардировке поверхности твердого тела. Рассмотрена зависимость коэффициентов распыления от энергии и угла падения бомбардирующей частицы. Приведены энергетические спектры и средние энергии распыленных частиц. На примере мишени из вольфрама и изотопов водорода в качестве снарядов предложены формулы для расчета рассматриваемых величин. Эти данные необходимы для оценки поступления распыленных атомов вольфрама в качестве примеси в горячую плазму с использованием транспортных кодов. При концентрации примеси вольфрама более критической невозможно осуществить управляемую термоядерную реакцию с планируемым энергетическим выходом в токамаке-реакторе ИТЭР. Коэффициенты распыления также играют важную роль при моделировании поступления примесей в плазменные установки в результате взаимодействия атомов водородного топлива с материалами дивертора и первой стенки.

Рассмотрены результаты многолетних исследований, выполненных в разных организациях СССР и России в процессе разработок двигателей с анодным слоем (ДАС) и стационарных плазменных двигателей (СПД). Используется их общее название «двигатели с замкнутым дрейфом электронов» (ДЗДЭ), поскольку они разработаны на основе плазменных ускорителей ионов с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ). ДЗДЭ прошли достаточно долгий путь развития. В результате СПД стал одним из наиболее широко используемых в космосе электроракетных двигателей (ЭРД) и продолжает развиваться. Разработки ДАС также достигли достаточно высокого уровня и близки к переходу к практическому использованию. Поэтому рассмотрены основные физические положения и результаты исследований, которые определяли прогресс в развитии СПД и ДАС с целью их анализа и обобщения, а также оценки их применимости для дальнейшего развития названных двигателей. Приведена краткая характеристика основных этапов разработки СПД и ДАС и достигнутых на этих этапах результатов. Показано, что основной проблемой их дальнейшего развития является обеспечение как высокой тяговой эффективности, так и большого ресурса. Показано также, что основной фактор, ограничивающий ресурс ДАС и СПД, – попадание ускоренных ионов на элементы их конструкции, поэтому для управления их движением необходимо прежде всего понимать закономерности формирования электрического поля в разрядах ДЗДЭ. Выявлены новые и уточнены известные свойства разряда в ДЗДЭ и закономерности формирования электрического поля в нем, определяющие толщину и положение зоны ускорения с основным падением потенциала в разряде и потоки ускоренных ионов на элементы конструкции двигателя. Рассмотрены и проанализированы успешно апробированные на втором этапе развития СПД и ДАС способы управления толщиной и положением зоны ускорения в ДЗДЭ путем изменения характеристик магнитного поля. Показано, что эти способы позволяют эффективно управлять работой ДЗДЭ и его характеристиками, определены физические условия, обеспечивающих эффективность их применения. Определены физические условия реализации и обоснование целесообразности полного вынесения зоны ускорения из конструкции двигателя как основного направления современного развития ДЗДЭ с учетом результатов анализа свойств разряда и закономерностей формирования электрического поля в ДЗДЭ. Приведены основные выводы по рассмотренным вопросам.

Ионно-циклотронный резонансный нагрев рассматривается как один из методов дополнительного нагрева плазмы и создания неиндукционного тока в токамаке Т-15МД. Для передачи максимальной мощности в плазму требуется знать импеданс системы антенна-плазма, согласовать его с импедансом генератора ВЧ-мощности и линии ее передачи. Статья посвящена разработке кода для расчета импеданса антенны системы ИЦР-нагрева плазмы в тороидальных магнитных ловушках. Для нахождения импеданса системы антенна-плазма в упрощенной геометрии антенны, состоящей из токопроводящих пластин, решается волновое уравнение в приближении “холодной” плазмы, рассчитывается излучаемый антенной спектр ВЧ-мощности. Для геометрии токамака Т-15МД получены зависимости импеданса системы антенна-плазма от расстояний между антенной и экраном Фарадея и между экраном Фарадея и плазмой. Получено двумерное распределение электрического поля волны в плазме.

Рассматривается зондовая диагностика распределения ионов по энергиям и плотности ионного тока в струе плазмы электроракетных двигателей. Приводится подробное сравнение нового зонда с задерживающим потенциалом другой конструкции с традиционным зондом многосеточной конструкции на примере численного моделирования и реальных испытаний при различных параметрах струи холловского двигателя. С помощью моделирования наглядно продемонстрированы недостатки многосеточной конструкции зонда с задерживающим потенциалом и преимущества апертурной. На основании расчетов также подробно исследованы особенности использования нового зонда и сделаны предварительные выводы относительно точности зонда. В заключительной части статьи продемонстрированы результаты совместных испытаний двух зондов при таких параметрах плазмы, при которых трехсеточный зонд работает наиболее точно, с подтвержденной максимальной погрешностью в 5%.

Развита теория крупномасштабных течений вращающейся частично ионизованной космической и астрофизической плазмы в приближении холловской магнитной гидродинамики. Частично ионизованная вращающаяся плазма описывает крупномасштабные процессы в экзопланетных атмосферах Горячих Юпитеров, в термосферно-ионосферной системе планет и Земли, в протопланетных дисках и во многих других объектах гелиофизики и космической физики. Полученные уравнения содержат нетривиальные слагаемые, описывающие влияние вращения на холловский ток и амбиполярную диффузию плазмы на ряду с традиционной силой Кориолиса действующей на импульс центра масс плазмы. Проведен анализ линейных течений в простейшем случае пренебрежения силы тяжести. Получены дисперсионные соотношения для модифицированных альфвеновских волн, для вращающихся быстрых и медленных звуковых волн и модифицированных свистовых волн. Медленные звуковые волны являются новым типом течений вызванных силой Кориолиса. Быстрые звуковые волны соответствуют обычным звуковым волнам при отсутствии вращения.