Анотація до роботи:

Лаврентьєв О. А. Електростатичні та електромагнітні пастки високотемпературної плазми. – рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.08 – фізика і хімія плазми. – Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», Харків, 2003.

В дисертації запропоновано схему для використання керованих термоядерних реакцій у промислових цілях, засновану на теплоізоляції високотемпературної плазми електричним полем, що дозволило розробити нові типи термоядерних пристроїв: електростатичні та електромагнітні пастки високотемпературної плазми, приведені результати теоретичних і експериментальних досліджень електростатичних і електромагнітних пасток.

По електростатичних системах сформульовані й обґрунтовані два найбільш перспективні напрямки робіт: просторово-часове фокусування потоків заряджених частинок і накопичення плазми між віртуальними електродами. Приводяться результати досліджень сферичного фокусування іонів на установках “Сферичний діод” і “Юпітер 1Е”. Обмірковуються результати закордонних робіт з дослідження інерційно-електростатичного утримання плазми і сучасний стан робіт з цієї проблеми.

По електромагнітних системах сформульовані й обґрунтовані ключові ідеї утримання високотемпературної плазми комбінованими електричними і магнітними полями. Приведено результати теоретичного розрахунку параметрів плазми в електромагнітній пастці, створення і нагрівання плазми за допомогою електронної інжекції, процесів переносу електронів через магнітне поле, дифузії в просторі швидкостей, втрат іонів в магнітні щілини і осьові отвори.

Приведено результати накопичення плазми в електромагнітної пастки”С - 3” в умовах глибокого вакууму, в електромагнітних пастках “Юпітер 1А” і “Юпітер 1М” з сильними імпульсними полями, у багатощілинних електромагнітних пастках “БК-4” і “Юпітер 2М”.

Вирішено головну експериментальну задачу – підтверджений класичний характер утримання плазми в електромагнітних пастках. Зниження реальних втрат із плазми на два-три порядки величини дозволить істотно спростити і здешевити проекти експериментальних установок, включаючи проекти нейтронних джерел і термоядерних реакторів.

Приведено результати розрахунків концептуального проекту термоядерного реактора «Элемаг» на 1 млн кВт електричної потужності і проектів джерел термоядерних нейтронів «БК-NS» і «Юпітер-NS» із флюенсом (1-2)*10¹⁴ н/см²с.

Розглянуто нетермоядерні додатки електростатичних і електромагнітних пасток: термоемісійне нагрівання деталі, джерела іонів, прискорювачі заряджених частинок, діагностичні методи виміру електричних потенціалів у плазмі

1. Запропоновано схему для використання керованих термоядерних реакцій у промислових цілях, засновану на теплоізоляції високотемпературної плазми електричним полем, що дозволило розробити нові типи термоядерних пристроїв: електростатичні та електромагнітні пастки високотемпературної плазми.

2. Установлено закономірності інерційно-електростатичного утримання плазми в електростатичних пастках при інжекції електронних і іонних потоків у дрейфовий простір. Знайдено умови утворення потенційних бар'єрів у щільній плазмі і новий тип розв’язання рівняння Ленгмюра, що характеризується утворенням у дрейфовому просторі серії віртуальних електродів, що чергуються: анодів і катодів.

3. Розроблено і споруджені установки "Сферичний анод" і "Юпітер-1Е" для дослідження електростатичного утримання плазми. Експериментально підтверджено сферичне фокусування потоків заряджених частинок у центр електростатичної пастки. Уперше на Україні отримана плазма з густиною 10¹¹ см^-3 і середньою енергією іонів 0.30,6 кеВ, стаціонарно утримувана тільки електростатичними полями.

4. Запропоновано просторово-часове фокусування потоків заряджених частинок, що дозволяє значно знизити критичні розміри електростатичної пастки, а так само здійснити нагрівання твердої термоядерної мішені концентрованими іонними пучками.

5. Розвито теорію утримання високотемпературної плазми комбінованими електричними і магнітними полями. Знайдено умови накопичення і нагрівання плазми в електромагнітних пастках і її основні параметри.

6. Розроблено і споруджені експериментальні установки “С – 1”, “С – 3”, БК-4, “Юпітер-1А”, “Юпітер-1М”, “Юпітер-2М”, на яких виконаний цикл експериментальних досліджень по електромагнітному утриманню і отримані параметри плазми: густина n_е,і = (2-5)*10¹² см^-3, температура іонів Т_і = (0,1- 0,8) кеВ, час життя електронів t » 1 мс.

7. Розроблено теоретичну модель для чисельного моделювання процесів накопичення і нагрівання плазми в електромагнітних пастках, що була застосована для аналізу експериментальних результатів на існуючих установках і для прогнозу очікуваних параметрів плазми в проектованих.

8. На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень по електромагнітних пастках був виконаний проект великої установки "Юпітер-2" з об’ємом незамагніченої плазми 0,5м³ і концепційний проект термоядерного реактора «Элемаг» на теплову потужність 4 ГВт.

9. Проведено теоретичні розрахунки і виконано проекти джерел термоядерних нейтронів «БК-NS» і «Юпітер-NS» для технологічних іспитів матеріалів термоядерного реактора.

10. Запропоновано і розраховано схему придушення торцевих втрат плазми в газодинамічній пастці джерела термоядерних нейтронів «GDT-NS».

11. У ході роботи був отриманий ряд результатів, що можуть бути використані в інших напрямках фізики плазми і проблеми керованого термоядерного синтезу, а також у суміжних областях науки і техніки: термоемісійне нагрівання деталі, джерела іонів, прискорювачі заряджених частинок, діагностичні методи виміру параметрів плазми.

12. Отримані в дисертаційній роботі результати дозволяють зробити висновок про перспективність електростатичних і електромагнітних пасток для рішення актуальних задач народного господарства і принципової можливості досягнення кінцевої мети - створення енергетичного термоядерного реактора.

Публікації автора:

1. Лаврентьев О.А. Об утилизации ядерных реакций между легкими элементами // АП РФ. –1950. - Ф.93, дело 30/51, 1 - л.73-83, 2 – л. 88-94.

2. Азовский Ю. С., Георгиевский А. В., Зисер В. Е., Коломенцев Э. П., Лаврентьев О. А., Ноздрачев М. Г., Пелетминская В. Г., Погожев Д. П., Сергеев Ю. Ф., Таран В. М. Электромагнитная ловушка «Юпитер-1М» // ВАНТ (Вопросы атомной науки и техники). Серия : Физика плазмы и проблема управляемого термоядерного синтеза. - 1973. - Вып. 1(1). - С. 8 - 9.

3. Георгиевский А.В., Зисер В.Е., Лаврентьев О.А. Ноздрачев М.Г., Погожев Д.Ю. Исследование и испытание магнитной системы электромагнитной ловушки "Юпитер-1М" // АЭ. – 1974. - Т.36, вып. 4. - С.323-324.

4. Лаврентьев О.А., Калмыков А.А., Георгиевский А.В., Зисер В.Е., Юферов Б.В. Термоядерный реактор "Юпитер" на основе удержания плазмы электрическими и магнитными полями // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. –1975. - № 6. - С.54-59.

5. Lavrent'ev O.A. Electrostatic and electromagnetic high-temperature plasma traps // Ann.N.Y.Acad.Sci. – 1975. - V.251. - Р.152-178.

6. O.A.Lavrent’ev. Mathematical model of plasma accumulation, heatign and confinement in a multislit electromagnetic trap // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics(6). – 2000. - №.6. - P. 65-67.

7. O.A.Lavrent’ev, V.A.Maslov, S.V.Germanova, M.G.Nozdrachev, V.P.Oboznyi. Neutral gas influence on plasma heating and confinement in the multislit electromagnetic trap «Jupiter 2M»// Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. – 2000. - №.3(5). - P. 48-50.

8. Лаврентьев О.А., Овчаренко Л.И., Шевчук Б.А. Критические углы для остроугольной геометрии магнитного поля // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций. –1975. - Вып. 1(3). - C. 22-28.

9. Лаврентьев 0.А., Потапенко В.А., Степаненко И.А. Исследование времени жизни частиц в импульсной электромагнитной ловушке // ЖТФ. – 1976. - Т.46, вып.1. - C.115-120.

10. Иванов Б.И., Калмыков А.А., Лаврентьев О.А. О возможности инициирования термоядерных реакций сильноточными ионными пучками // Письма в ЖТФ. – 1976. - Т.2, вып. З. - C.129-132.

11. Лаврентьев О.А. Теплоизоляция высокотемпературной плазмы электрическими и магнитными полями // УФЖ. – 1978. - Т.23, № II. - C.1922-1931.

12. Лаврентьев О.А. Электромагнитная ловушка "Юпитер-2"// УФЖ. – 1979. - Т.24, № 7. - C.1019-1023.

13. Лаврентьев О. А., Петренко В.И., Карпухин В. И. Интенсивные нейтронные источники для радиационных испытаний конструкционных материалов ТЯР // ВАНТ (Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. – 1980. - Вып. 2 (6). - С.10-20.

14. Лаврентьев О. А. Влияние электрического поля на удержание плазмы в электромагнитной ловушке // УФЖ. – 1981. - Т.26, № 10. - С. 1636-1641.

15. Лаврентьев О. А. Диффузионные потери частиц и энергии в однощелевой электромагнитной ловушке // УФЖ. – 1981. - Т.26, № 9. - С. 1466-1472.

16. Азовский Ю. С., Лаврентьев О. А., Маслов В. А., Ноздрачев М. Г. Температура ионов в электромагнитной ловушке «Юпитер-1М» // ФП. – 1984. - Т.10, вып.6. - С.1310-1313.

17. Азовский Ю. С., Лаврентьев О. А., Маслов В. А., Ноздрачев М. Г. Об энергетическом спектре ионов в электромагнитной ловушке «Юпитер-1М» // УФЖ. – 1985. - Т.30, № 11. - С.1669-1671.

18. Азовский Ю. С., Лаврентьев О. А., Маслов В. А. Потери электронов из электромагнитной ловушки «Юпитер-1М» // УФЖ. – 1986. - Т.31, № 9. - С.1350-1355.

19. Азовский Ю. С., Лаврентьев О. А., Маслов В. А. Потери ионов из электромагнитной ловушки «Юпитер-1М» // УФЖ. – 1986. - Т.31, № 11. - С.1691-1696.

20. Лаврентьев О. А. Влияние электрического поля на поперечные потери электронов в однощелевой электромагнитной ловушке // УФЖ. – 1988. - Т.33, № 9. - С.1348-1352.

21. Германова С. В., Лаврентьев О. А., Петренко В. И. Поперечный перенос электронов в многощелевой электромагнитной ловушки с осесимметричной геометрией магнитного поля // ВАНТ (Вопросы атомной науки и техники). Серия: Термоядерный синтез. – 1989. - Вып. 3. - С.69-72.

22. Германова С. В., Лаврентьев О. А., Петренко В. И. Поперечный перенос электронов в многощелевой электромагнитной ловушке через концевые магнитные поверхности // ВАНТ (Вопросы атомной науки и техники). Серия: Термоядерный синтез. – 1991. - Вып. 2. - С. 74 - 76.

23. Lavrent’ev O. A. Thermonuclear reactor characteristic on an electromagnetic trap base // Transactions of American Nuclear Society. – 1993. - V.67 (suppl. 1). - Р. 231-234.

24. O.A.Lavrent’ev. Suppression of gasdynamic trap lossis by combined electric and magnetic fields // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. - 2003. - №.1. (9). - P. 33-36.

25. Лаврентьев О. А. Электромагнитная ловушка // УФЖ. – 1998. - Т.43, №9. - С.1100-1101.

26. Lavrent’ev O. A. A plasma neutron source with an electromagnetic trap as the based // Transactions of fusion technology. – 1999. - Vol 35, NO. 1T. - Р. 292-296.

27. Lavrent’ev O. A., Maslov V. A., Germanova S. V., Nozdrachov M. G., Oboznyj V. P., Shevchuk B. A. Thermonuclear reactor «Elemag» // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics. – 1999. - V.1. - P.105-107.

28. Лаврентьев О.А., Калмыков А.А., Быков В.Е., Смирнов В.Г. Магнитная система электромагнитной ловушки высокотемпературной плазмы «Юпитер 2» // Доклады всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов. (Ленинград,1975). – 1975. - Т.1. - С. 241-248.

29. Лаврентьев О.А. Основные элементы инженерно-физического расчета крупных термоядерных систем на базе электромагнитной ловушки // Доклады всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1975). – 1975. - Т.1.- С.106-113.

30. Lavrent’ev O. A., Maslov V. A., Germanova S. V., Nozdrachov M. G., Oboznyj V. P., Shevchuk B. A. Investigation of the fundamental processes of plasma accumulation, heating and confinement in the multislit electromagnetic trap // 23rd European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (Kiev, 24-26 June, 1996). - Part II. - P. 676-680.