Направление: Физика плазмы.
Подразделение: каф. физики
Руководитель: А.И.Бугрова, проф., д.ф.-м.н. (e-mail: bugrova@mirea.ru, тел.: 434-86-22).

а) Плазменные ускорители

Научная группа "Научно-технического центра высоких технологий плазмодинамики" проводит работы по созданию, разработке и исследованию лабораторных моделей стационарных плазменных источников (СПД) второго поколения типа АТОН. Разработан и создан лабораторный источник, работающий как в стационарном режиме, так и в режиме коротких импульсов. Продолжаются работы на двухступенчатом ускорителе СПД-МАГ. Эти стационарные ускорители имеют высокий к.п.д., большой удельный импульс, мало расходящуюся струю и низкий уровень шумов в широком диапазоне частот, поэтому они могут быть использованы для выполнения различных задач в ионно-плазменной технологии и в Космосе на борту искусственных спутников Земли.

Целью проводимых исследований является глубокое понимание физических процессов, происходящих в плазменном источнике и приводящих к получению его заданных характеристик. К их числу принадлежат экспериментально установленные в МИРЭА явление пристеночной проводимости, влияние запыления стенок изолятора разрядной камеры в условиях наземных испытаний, а также выявление причин шумов и т.д.

Параметрическое семейство СПД второго поколения.

В результате работ данной научной группы был создан и испытан параметрический ряд плазменных источников, работающих в широком диапазоне мощностей и на различных рабочих веществах. Двигатели малой мощности (до 300 Вт) могут работать на малых космических аппаратах (КА), используемых для связи и для метеорологических измерений.

Двигатели большой мощности, развивающие большую тягу, могут быть применены для коррекции орбит КА и в качестве маршевых для полетов на Марс и другие планеты.

Полученные высокие характеристики двигателей СПД типа АТОН привлекли к себе пристальное внимание различных организаций, работающих в данной области, как в России, так и за рубежом.

Плазменная струя двухступенчатого ускорителя СПД-МАГ.

"Научно-технический центр высоких технологий плазмодинамики" тесно сотрудничает со специалистами ОКБ "Факел", французской фирмой SNECMA и Харбинским политехническим институтом КНР. С фирмой SEP был запатентован во всем мире плазменный двигатель нового поколения. В настоящее время продолжаются интенсивные физические исследования процессов в СПД в рамках ИНТАС совместно с сотрудниками МАИ, НИИ ПМЭ, РНЦ "Курчатовский институт", французской фирмой SNECMA. В работе принимают участие студенты и аспиранты МИРЭА и МИФИ.

По результатам проведенных исследований опубликованы десятки статей в российских и международных журналах, в том числе:

1. А.И. Морозов, А.И. Бугрова, А.В. Десятсков и др. Стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН. Физика плазмы, 1997, т. 23, №7, с. 635-645.
2. А.И. Бугрова, А.С. Липатов, А.И. Морозов, С.В. Баранов. Влияние соотношения долей ионов разной кратности на интегральные параметры СПД типа АТОН. Письма в ЖТФ, 2005, т. 31, вып. 21, с. 87-94.
3. К.П. Кирдяшев. А.И. Бугрова, А.И. Морозов и др. СВЧ - колебания в ускорительном канале стационарного плазменного двигателя СПД АТОН. Письма в ЖТФ, 2005, т. 31, вып. 14, с. 7-15.

б) Плазменные ловушки

Удержание высокотемпературной плазмы является ключевой проблемой управляемого термоядерного синтеза (УТС). В настоящее время существует два способа удержания: первый - инерциальный, например, с инициированием реакции с помощью лазера, второй - удержание магнитным полем. Подавление конвективной неустойчивости является главной проблемой в системах с магнитным удержанием плазмы и накладывает ограничения на величину. Величина является отношением плазменного давления к давлению магнитного поля, удерживающего плазму, и может рассматриваться как КПД магнитного удержания. Поэтому плазменные системы с высоким будут обязательно затребованы в УТС.

Сегодня наиболее вероятными кандидатами на роль идеальных ловушек с b~~1 представляются магнитные баллоны-галатеи, в которых плазма окружена со всех сторон магнитным барьером. Достоинством таких систем - магнитных баллонов - является автоматическое подавление конвективных неустойчивостей (вызванных диамагнетизмом плазмы), которые существуют во всех других традиционных ловушках (токамаках, стеллараторах и т.д.). Актуальность изучения ловушек с большим обусловлена также и тем, что затраты на строительство и эксплуатацию термоядерного реактора по этой схеме значительно ниже, чем затраты на реакторы традиционных схем. Исследования тороидальных мультипольных галатей (квадрупольных и октупольных), выполненные в МИРЭА в 1990-е годы [1,2], подтверждают реализуемость указанных условий, в том числе, классический характер переносов.

Процесс заполнения плазмой - один из самых сложных этапов вывода на рабочий режим подобных ловушек, так как в магнитной корке ловушек принципиально нет щелей, а возбуждение в таких ловушках токового кольца, как это происходит в токамаке, принципиально невозможно из-за наличия катушек, погруженных в плазму.

Свечение удерживаемой плазмы в ловушке Галатее

Для наполнения ловушки плазмой в МИРЭА был создан и отлажен инжекционный комплекс (2000-2003г.г.), состоящий из пушки и плазмовода. На первом этапе было выполнено всесторонне исследование процесса захвата и удержания плазмы в ловушке-галатее "Тримикс" медленными сгустками водородной плазмы, позволившее выявить основные физические закономерности и особенности этого процесса [3,4]. В настоящее время модернизированная система пушка - ловушка "Тримикс - М" позволила осуществить захват в ловушку сгустков водородной плазмы с энергией ионов ~100эВ. Это привело к повышению параметров плазмы в ловушке до величин: температура электронов (Те) и ионов (Тi) ~20эВ, концентрация электронов (ne ) ~ 1014 см-3, энергосодержание плазмы ~ 110Дж, b~~0,2. Время удержания плазмы ловушкой при величине барьерного поля Вбар.=0,1Тл составило р=300мкс. Характер зависимости tр(Вбар.) соответствует классическому переносу.

Полученные результаты являются многообещающими. Для широкого распространения этих работ необходимо увеличить параметры, определяющие характеристики ловушки: время удержания tр при существенно более высоких Te~ Тi. В настоящее время не видно физических ограничений для получения высоких значений этих величин, и поэтому эта работа является перспективной и значимой.

Работы по данному направлению выполняются по контрактам с Росатомом, были поддержаны грантами Минобрнауки и Росатома. В них принимают участие студенты и аспиранты МИРЭА и МИФИ. Результаты проведенных исследований неоднократно докладывались на международных и российских конференциях, опубликованы в ведущих отечественных журналах, в том числе:

1. Морозов А.И., Савельев В.В. "О галатеях-ловушках с погруженными в плазму проводниками"// "Успехи физических наук", 1998г., т.168, №11, стр. 1153-1194.
2. Морозов А.И., Бугрова А.И., Бишаев А.М., Невровский В.А. "Электро-разрядная ловушка-галатея "Октуполь"" // "Письма в ЖТФ", 1999г., том 25, вып.17, стр.57-61.
3. Морозов А.И. "Экспериментальные исследования плазменных ловушек-галатей в МИРЭА" // "Вопросы атомной науки и техники", сер. "Термоядерный синтез", 2000г., вып.3, стр. 57-63.
4. Морозов А.И., Бугрова А.И., Бишаев А.М., Козинцева М.В., Липатов А.С., Васильев В.И., Струнников В.М. "Инжекция плазмы в Галатею "Тримикс"" // "Физика плазмы", 2006 г., т.32, №3, стр.195-206.
5. Морозов А.И., Бугрова А.И., Бишаев А.М., Козинцева М.В., Липатов А.С. "Динамика захвата и удержания плазмы в Галатее "Тримикс"" // "Письма в ЖТФ", 2006 г., том 32, вып.1, стр.65-70.