Open ended axially symmetric systems. Results and perspectives

Significant progress of the simplest axisymmetric magnetic systems for plasma confinement and heating is described. Two of such systems are presented in this paper: multi mirror (GOL-3) and gas dynamic (GDT) traps. In the GOL-3 case the temperatures Te ≈ Е ≈ 2 keV were obtained in a dense (of order of 10²¹m⁻³) plasma and the maximum value of nIJE ≈ 2·10¹⁸m⁻³s was achieved. Any physical limitations which could prevent from further grow of plasma parameters did not find out. The most important results obtained in the experiments on GDT are described. A new step (GDT-U) has been prepared and the first preliminary experiments with quasi-stationary plasma heating have started. According to calculations, the parameters of the GDT-U should demonstrate the feasibility of “moderate” (0.5 MW/m²) 14 MeV neutron source for structural materials tests of fusion reactor

Axially symmetric magnetic mirror traps. Recent progress in plasma confinement and heating

New results of studies of plasma heating and confinement in the axisymmetric mirror traps are presented. It is shown that due to excitation of the instability at the bounce frequency (bounce instability) the effects of multi-mirror confinement can observed even at the densities by two-three-orders of magnitude lower than those predicted by the Budker, Mirnov and Ryutov theory (GOL-3 facility). This effect makes the multi-mirror reactor more realistic. A small size mirror cell was incorporated with the gas dynamic trap (GDT). Due to the transverse injection of two neutral beams (ENB=20 keV) ion hot plasma was obtained in the compact mirror cell. As a result of that the plasma flux to the end wall decreased by 5 times. Besides, the threshold of the Alfven ion cyclotron instability (AIC) was determined in the same experiment with accumulation of fast ions in the compact cell. It follows from this experiment that in the GDT based neutron source the AIC instability will not excite in spite of anisotropic plasma.Представлено останні результати по утриманню плазми в вісесиметричних магнітних пастках. Показано, що завдяки порушенню нестійкості на замкнених частках (bounce instability) багатопробпробкове утримання плазми може спостерігатися при щільностях на два – три порядки більш низьких, ніж завбачається теорією Будкера, Мирнова і Рютова (ГОЛ-3). Цей ефект робить багатопробковий термоядерний реактор більш реалістичним. Невеликий пробкотрон було приєднано до газодинамічної пастки (ГДП). При поперечній інжекції нейтральних пучків (Е=20 кеВ, W = 1 МВт) у пробкотроні була отримана іонно-гаряча плазма. Внаслідок потік плазми, що витікає з ГДЛ, був подавлений у 5 разів. Крім того, вдалося визначити поріг нестійкості на швидких анізотропних іонах та ідентифікувати порушення альфвенівської іонно-циклотронної нестійкості. З отриманих даних витікає, що небезпеки порушення цієї нестійкості в нейтронному джерелі на основі ГДП не існує.Представлены последние результаты по удержанию плазмы в осесимметричных магнитных ловушках. Показано, что благодаря возбуждению неустойчивости на запертых частицах (bounce instability) многопробочное удержание плазмы может наблюдаться при плотностях на два – три порядка более низких по сравнению с предсказываемыми теорией Будкера, Мирнова и Рютова (ГОЛ-3). Этот эффект делает многопробочный термоядерный реактор более реалистичным. Небольшой пробкотрон был присоединен к газодинамической ловушке (ГДЛ). При поперечной инжекции нейтральных пучков (Е = 20 кэВ, W = 1 МВт) в пробкотроне была получена ионно-горячая плазма. В результате поток плазмы, вытекающей из ГДЛ, был подавлен в 5 раз. Кроме того, удалось определить порог неустойчивости на быстрых анизотропных ионах и идентифицировать возбуждение альфвеновской ионно- циклотронной неустойчивости. Из полученных данных следует, что опасности возбуждения этой неустойчивости в нейтронном источнике на основе ГДЛ не существует

Magnetic mirrors: history, results, and future prospects

The evolution of open traps brought them from simple solenoids to highly sophisticated and huge tandem mirrors with quadrupole magnetic stabilizers. They tried to compete with toroidal devices using ambipolar confinement and thermal barriers, but were too late and failed, and are almost extinct. A side branch of open traps went for simplicity and good fast-ion confinement inherent in axially symmetric mirrors. Since simplicity means lower cost of construction and servicing, and lower engineering and materials demands, such type of traps might still have an edge. Axially symmetric mirrors at the Budker Institute of Nuclear Physics in Novosibirsk currently represent the frontline of mirror research. We discuss recent experimental results from the multiple-mirror trap, GOL-3 [1], and the gas-dynamic trap, GDT [2]. The next step in this line of research is the GDMT program that will combine the GDT-style fast-ion-dominated central mirror with multiple-mirror end plugs. This superconducting device will be modular and built in stages. The first stage, GDMT-T, will be based on 5m, 7T superconducting solenoid (multiple-mirror plug of the full device). Its 3-year scientific program is oriented primarily on PMI studies.Эволюция открытых ловушек привела их от простых соленоидов к сложнейшим тандемным ловушкам с квадрупольными стабилизаторами. Они вступили в конкуренцию с токамаками, используя амбиполярное удержание и термобарьеры, но проиграли, и сейчас близки к полному исчезновению. Боковая ветвь открытых ловушек осталась осесимметричной и сохранила простоту и хорошее удержание быстрых ионов. Поскольку простота конструкции означает меньшую стоимость строительства и обслуживания, и меньшие требования к конструкционным материалам, такие ловушки по-прежнему жизнеспособны. Осесиммет- ричные ловушки Института ядерной физики им. Будкера в настоящее время являются наиболее передовыми в мире. Мы обсуждаем свежие экспериментальные результаты многопробочной ловушки ГОЛ-3 [1] и газодинамической ловушки ГДЛ [2]. Следующий шаг на этом пути – программа ГДМЛ, которая совместит центральный пробкотрон с плещущимися ионами в стиле ГДЛ с многопробочными секциями для подавления продольных потерь. Эта сверхпроводящая установка будет модульной и будет строиться поэтапно. Первый этап, ГДМЛ-Т, основан на пятиметровом сверхпроводящем соленоиде концевой многопробочной секции с полем 7 Тл. Трёхлетняя научная программа ГДМЛ-Т нацелена на исследование взаимодействия диверторной плазмы с металлами.Еволюція відкритих пасток привела їх від простих соленоїдів до найскладніших тандемних пасток з квадрупольними стабілізаторами. Вони вступили в конкуренцію з токамаками, використовуючи амбіполярне утримання та термобар’єри, але програли і зараз близькі до повного зникнення. Бічна гілка відкритих пасток залишилася осесиметричною і зберегла простоту і гарне утримання швидких іонів. Оскільки простота конструкції означає меншу вартість будівництва і обслуговування, і менші вимоги до конструкційних матеріалів, такі пастки, як і раніше, життєздатні. Осесиметричні пастки Інституту ядерної фізики ім. Будкера в даний час є найбільш передовими в світі. Ми обговорюємо свіжі експериментальні результати багатопробочної пастки ГОЛ-3 [1] і газодинамічної пастки ГДЛ [2]. Наступний крок на цьому шляху − програма ГДМЛ, яка поєднає центральний пробкотрон з іонами, що плескаються, у стилі ГДЛ багатопробочними секціями для придушення поздовжних втрат. Ця надпровідна установка буде модульною і буде будуватися поетапно. Перший етап, ГДМЛ-Т, заснований на п’ятиметровому надпровідному соленоїді кінцевої багатопробочної секції з полем 7 Тл. Трирічна наукова програма ГДМЛ-Т націлена на дослідження взаємодії диверторноі плазми з металами

Plasma heating and confinementat the GOL-3-II facility

Results of experiments on plasma heating and confinement in multimirror open trap GOL-3-II are presented. This facility is intended for heating and confinement of a relatively dense (10¹⁵-10¹⁷ cm⁻³) plasma in axially-symmetrical magnetic system. The plasma heating is provided by a high-power electron beam (1 MeV, 30 kA, 8 µs, 200 kJ). Results of the experiments with multimirror configuration of the device indicate that the confinement time of the plasma with ne ~ (0,5÷5).10¹⁵ cm⁻³ and Te ~1 keV increases more than order of magnitude in comparison with single mirror device

Plasma heating and confinement in the GOL-3 multiple mirror trap

Experiments on plasma confinement in a multiple mirror configuration are carried out at GOL-3 facility in Novosibirsk. Feature of experiments at this facility is high plasma density (up to 5⋅10²¹ m⁻³ ). High ion temperature (up to 2 keV) essentially differs the regime with multimirror configuration from previously studied plasma heating by the Ebeam in a uniform magnetic field. Physical mechanism of effective heating of plasma ions, substantially dependent on corrugation of the magnetic field is discussed. In this paper the new experimental data from the GOL-3 facility are presented and the main attention to a stage of ion heating is addressed.Експерименти по нагріванню й утриманню плазми в багатопробковій пастці проводяться на установці ГОЛ- 3 у Новосибірську. Особливістю плазми в цій пастці є її відносно висока (до 5⋅10²¹ м⁻³ ) густина. Нагрівання плазми релятивістським електронним пучком у багатопробковій пастці істотно відрізняється від нагрівання в простому соленоїді тим, що спостерігається збільшення іонної температури аж до 2 кэВ. У роботі обговорюється механізм швидкого нагрівання іонів і представляються нові експериментальні результати, отримані на установці ГОЛ-3.Эксперименты по нагреву и удержанию плазмы в многопробочной ловушке проводятся на установке ГОЛ-3 в Новосибирске. Особенностью плазмы в этой ловушке является ее относительно высокая (до 5⋅10²¹ м⁻³ ) плотность. Нагрев плазмы релятивистским электронным пучком в многопробочной ловушке существенно отличается от нагрева в простом соленоиде тем, что наблюдается увеличение ионной температуры вплоть до 2 кэВ. В работе обсуждается механизм быстрого нагрева ионов и представляются новые экспериментальные результаты, полученные на установке ГОЛ-3

Plasma-surface interaction during iter transient events: simulation with QSPA Kh-50 AND GOL-3 facilities

The paper presents experimental investigations of plasma-surface interaction (PSI) and materials behavior under plasma loads relevant to giant ELMs in ITER. The experiments were performed with QSPA Kh-50 and GOL-3 devices located in Kharkov, (Ukraine) and Novosibirsk (Russia) respectively. QSPA provided repetitive plasma pulses of the duration of 0.25 ms and the energy density up to 2.5 MJ/m². In GOL-3 multimirror trap the impacting plasma was heated up to 2…4 keV temperature by a high power relativistic electron beam (0.8 MeV, ~30 kA, ~12 µs, ~120 kJ). Surface morphology of the targets exposed to QSPA and GOL-3 plasma is analyzed. Development of cracking on the tungsten surface and droplets splashing are discussed.Представлені результати досліджень взаємодії плазми з поверхнею й поведінки матеріалів при плазмових навантаженнях, відповідних граничним локалізованим модам в ІТЕРі. Експерименти проводились на установках КСПП Х-50 (Харків) й ГОЛ-3 (Новосибірськ). Опромінення на КСПП проводилось повторюваними імпульсами тривалістю 0,25 мс та густиною енергії до 2,5 МДж/м². У гофрованій багатопробочній пастці ГОЛ-3 плазма, яка взаємодіє з матеріалами, нагрівалась до температури 2…4 кеВ потужним релятивістським електронним пучком (0.8 MеВ, ~30 кA, ~12 мкс, ~120 кДж). Аналізується морфологія поверхні мішеней, що опромінені на КСПП та ГОЛ-3. Обговорюється розвиток тріщин й крапельна ерозія вольфраму.Представлены результаты исследований взаимодействия плазмы с поверхностью и поведения материалов при плазменных нагрузках, соответствующих граничным локализованным модам в ИТЭРе. Эксперименты проводились на установках КСПУ Х-50 (Харьков) и ГОЛ-3 (Новосибирск). Облучение на КСПУ проводилось повторяющимися импульсами длительностью 0,25 мс и плотностью энергии до 2,5 МДж/м². В гофрированной многопробочной ловушке ГОЛ-3 взаимодействующая с материалами плазма нагревалась до температуры 2…4 кэВ мощным релятивистским электронным пучком (0.8 MэВ, ~30 кA, ~12 мкс, ~120 кДж). Анализируется морфология поверхности мишеней, облученных на КСПУ и ГОЛ-3. Обсуждается развитие трещин и капельная эрозия вольфрама

23rd IAEA Fusion Energy Conference: summary of sessions EX/C and ICC

An overview is given of recent experimental results in the areas of innovative confinement concepts, operational scenarios and confinement experiments as presented at the 2010 IAEA Fusion Energy Conference. Important new findings are presented from fusion devices worldwide, with a strong focus towards the scientific and technical issues associated with ITER and W7-X devices, presently under construction