Взрывоэмиссионные процессы в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы и линейных электрон-позитронных коллайдерах

Взрывоэмиссионные процессы в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы и линейных электрон-позитронных коллайдерах

Пресс-релиз публикации: С.А. Баренгольц, Г.А. Месяц. Взрывоэмиссионные процессы в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы и линейных электрон-позитронных коллайдерах. УФН. – 2023. – 193(7). – 751-769. DOI: 10.3367/UFNr.2022.02.039163

Пресс-релиз в формате PDF

Впервые с единой позиции, основанной на аналогии с электрическим взрывом проводников, рассмотрены процессы при инициировании радиочастотного вакуумного пробоя и функционирования униполярного дугового разряда. Использование этой аналогии подтверждено результатами моделирования взрывоэмиссионных и микровзрывных процессов на катоде с использованием широкодиапазонных уравнений состояния вещества.

Показано, что инициирование радиочастотного вакуумного пробоя происходит в результате разогрева и последующего электрического взрыва микровыступов на поверхности электродов под действием радиочастотных электрических полей (см. рис. 1). Установлено, что основной причиной реализации взрывоэмиссионных процессов при инициировании и самоподдержания униполярного дугового разряда в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы является изменение структуры и свойств поверхности диверторных пластин при воздействии на них гелиевой плазмы – основного продукта термоядерных реакций. В результате на поверхности вольфрама образуется так называемая «fuzz» структура, состоящая из отдельных нановолокон толщиной 10-20 нм (см. рис. 2). Формирование «fuzz» структуры сопровождается снижением порогового тока инициирования дугового разряда и приводит к резкому росту эрозии пластин.

Полученные результаты имеют непосредственное отношение к наиболее крупным международным научным проектам, реализуемыми в настоящее время или находящимися в стадии окончательной разработки, таким как «Международный экспериментальный термоядерный реактор» (ИТЭР) и проект создания линейного электрон-позитронного коллайдера – Компактный Линейный Коллайдер (КЛИК). В первом случае возникновение униполярной дуги приводит к проникновению в термоядерную плазму разного рода примесей - жидкометаллических капель, микрочастиц, низкотемпературных атомов и ионов. Во втором случае инициирование вакуумного пробоя приводит к появлению значительных эмиссионных токов с поверхности ускоряющей структуры, вплоть до десятков-сотен ампер, наводимые этими токами магнитные поля и поглощение энергии ускоряющей электромагнитной волны при пробое могут привести к резкому уменьшению светимости линейного коллайдера.

Пресс-релиз подготовил: ведущий научный сотрудник отдела лазерной физики ЦЕНИ ИОФ РАН, доктор физико-математических наук С.А. Баренгольц.

Рис. 1. Двумерные профили распределения температуры электронов (левая сторона) и решетки (правая сторона) в различные моменты времени при инициировании радиочастотного пробоя. (Источник: С.А. Баренгольц, Г.А. Месяц. Взрывоэмиссионные процессы в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы и линейных электрон-позитронных коллайдерах. УФН. – 2023. – 193(7). – 751-769. DOI: 10.3367/UFNr.2022.02.039163)

Рис. 2. SEM изображения fuzz структуры до и после воздействия дугового разряда (Источник: С.А. Баренгольц, Г.А. Месяц. Взрывоэмиссионные процессы в термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы и линейных электрон-позитронных коллайдерах. УФН. – 2023. – 193(7). – 751-769. DOI: 10.3367/UFNr.2022.02.039163)