Program česko-ruské spolupráce 1P05ME Studium implodujících zátěží na zařízení S-300 průběžné oponentní řízení za 3. rok řešení 2007 Řešitelé: Russian Research Center ”Kurchatov Institute”, Russia Yu.L. Bakshaev, P.I. Blinov, A.S. Chernenko, E.D. Kazakov, V.D. Korolev, and G.I. Ustroev ČVUT v Praze, fakulta elektrotechnická, Česká republika P. Kubeš, J. Kravárik, D. Klír, K.Řezáč, E. Litseva, M. Bohata

Cíle studium hustého a horkého plazmatu v silných magnetických polích, vhodného pro realizaci zdrojů intenzivního rentgenového a neutronového záření a řízené termonukleární fúze zvýšení výkonnosti a úpravy aparatury S-300 vývoj, testování, zavádění a použití rentgenové a částicové diagnostiky s nanosekundovou rozlišovací schopností výchova a účast mladých vědeckých pracovníků a studentů studium fúzní D-D reakce na ČVUT pro budoucí aplikace na tokamaku Compass

Dosažené výsledky Proběhly experimenty v Moskvě 11.5 – zaměřené na studium fúzních neutronů při zátěži plynného deuteria typu gas-puff. Bylo instalováno a použito 12 detektorů fúzních neutronů ve 3 kolmých směrech. nové výsledky: Publikace z měření v roce 2005 (imploze válcového lineru na CD 2 ): Reports Plasma Phys., leden 2008 Publikace z měření v roce 2006 (imploze válcového lineru na CD 2 ): Physics of Plasmas, odesláno Bylo určeno axiální a radiální energetické spektrum a čas produkce neutronů. Byla zjištěna silná korelace neutronové produkce s průběhem napětí a proudové derivace. Bylo budováno nové pracoviště pro studium D-D fúzní reakce. doktorské práce: Řezáč Karel: Numerické metody ve fyzice plazmatu. Litseva Ekaterina: Vyhodnocování výsledků získaných silnoproudými výboji. Bohata Martin: Teorie a simulace plazmatu v magnetických polích.

S-300; RRC Kurchatov Institute Moscow Marxův generátor 8 modulů, electrický proud 2.0 MA, nárůst proudu 100 ns

Instalace zátěže typu gas-puff Napouštění plynu Klapan a anoda po výstřelu Uzavírání náplně střelného prachu Testování těsnosti

Axiální and radiální schema diagnostiky 12 neutronových TOF detektorů

Publikace z měření v roce 2006 (imploze válcového lineru na CD 2 ): Physics of Plasmas, odesláno studium D-D fúzní reakce Hmotnostní zastoupení iontů v Z-pinčové náplni : wolfram 73%, uhlík 20%, a deuterium 7%.

Optická streak kamera V IMP = 2×10 7 cm/s Emise měkkého RTG záření 5 kJ energie, 100 GW výkon Max. spekt. hustota výkonu … 120 eV  T BB =40 eV Neutronová emise 10 9 neutronů v době : (i)stagnace (ii)pokles dI/dt (iii)napětí (iv)maximum RTG Korelace signálů a obrázků Boční směr: střední energie neutronů … 2.4 MeV, boční energetické spektrum je širší než axiální Axiální směr za katodou posun střední energie k 2.55 Me

Zřejmá korelace bočního neutronového signálu HXR, napětí a dI/dt

Odpor a indukčnost plazmatu Zanedbáme-li odpor: 1. není potvrzení expanze 2. nárůst indukčnosti na 18 nH: kolaps na průměr 10 μ m nebo nárůst efektivní délky plazmatu 3. Magnetická energie zůstane v plazmatu i po emisi záření a neutronů;  podstatná role anomálního odporu (Spitzerův není dostatečný).

1. Teoretický model generace neutronů 1.Axiální a boční energetické spektrum neutronů  2.Axiální a boční energetické spektrum deutronů  3.Energetické spektrum všech rychlých deuteronů 4.Vliv magnetických polí na dráhu deuteronu 5.Vliv Coulombovských srážek s ionty a elektrony

Boční směr maximum energie: 2.48±0.05 MeV pološířka energetického spectra: 450±100 keV Směr anoda-katoda maximum energie : 2.65±0.10 MeV pološířka energetického spectra : 350±100 keV Podobné hodnoty byly pozorovány v dalších Z-pinchových configuracích: Compressional Z-pinches: Andrianov 1958, Anderson 1958, Mather 1958… Plasma foci: Bernstein 1972, Bernard 1975, … Axiální a boční energetické spektrum neutronů

b) anisotropie neutronové emise a) transformace energie neutronů na energii deuteronů c) transformace energií deuteronů a neutronů v závislosti na úhlu mezi deuteronem a neutronem Axiální a boční energetické spektrum deutronů

Pravděpodobnost D-D fúzní reakce  (E D ) účinný průřez D-D reakce pravděpodobnost D – D fúzní reakce: p DD = l/ DD = ln i  (E d )  (E d ) … účinný průřez D-D reakce … n i …hustota deuteronů v neutronovém zdroji … l … délka neutronového zdroke rozměry neutronového zdroje  hustota iontů.. > m -3. zdroj neutronů - husté structury v Z-pinči  plošná hustota terče nl.. > m -2. délka 50 cm5 cm5 mm0,5 mm hustota m m m m -3 Závislost dátky a hustoty plazmatu terče při neutronovém zisku

Zachycení deuteronů v magneticém poli rozdělení rychlostí deuteronů je izotropní B =  I/2  r p = mv/er L  I = 2  mv  e   v = I e  /2  m;  dráha rychlých deuteronů v terči může být prodloužena vnitřním magnetickým polem EdEd 10 keV30 keV100 keV300 keV v10 6 m/s1.7x10 6 m/s3x10 6 m/s5x10 6 m/s path 20ns2 cm3 cm6 cm20 cm I4x10 5 A7x10 5 A1.2x10 6 A4x10 6 A původní rychlost deutonů A-K může být v terči změněna vnitřním magnetickým polem

Zahřívání neutronového zdroje rychlými deuterony Relaxation time of Coulomb D-D collisions Relaxační čas pro Coulombovské srážky e-i Relaxační čas pro Coulombovské srážky i-i  ii [ns] 0.5 keV1 keV2 keV5 keV10 keV20 keV 1E27 m E26 m E25 m E24 m Te [ns]0.1 keV0.3 keV1 keV3 keV 1E27 m E26 m E25 m E24 m oblasti s hustotou m -3  účinné zahřátí deuteronů i-i srážkami na T i 5-10 keV a účinné ochlazení e-i srážkami na T e keV. nezávisle pro Ed

D-D fúzní aparatura na ČVUT Maximální proud 200 kA neutronový zisk Monitorování D-D reakce Testování diagnostiky Základní fyzikální výzkum Výuka studentů v rámci magistr. studia Fyzika a technika termojaderné fúze Výchova týmu pro studium D-D reakce na tokamaku Compass

Realizované a připravované publikace Časopisecké publikace zahraniční 1. Kubes P., Bakshaev Y. L., Blinov P. I., Chernenko A.S., Ivanov M. I., Kazakov E.D., Klir D., Korelsky A. V., Kravarik J., Kravchenko E. V., Korolev V. D., Rezac K., Shashkov A. Y., Ustroev G. I. : Deuterated fibre in wire array load on the S-300, Plasma Physics Report, in print. 2. Klir D., Kravarik J., Kubes P., Rezac K., Anan’ev S.S., Bakshaev Yu.L., Blinov P.I., Chernenko A.S., Kazakov E.D., Korolev V.D., Meshcherov B.R., Ustroev G.I.: Neutron Emission Generated during Wire-Array implosion onto Deuterated Fiber, připraveno k zaslání do tisku. Konferenční příspěvky zahraniční Konferenční příspěvky tuzemské 4 Časopisecké publikace tuzemské 3

Vynaložené výdaje 2007 Neinvestiční prostředky: Materiál 11 tis. Kč Plyny 29 tis. Kč Filmy Kodak 11 tis. Kč Fotonásobič s elektronikou 57 tis. Kč Zdroje k detektorům 3 ks 69 tis. Kč Počítačové komponenty Bohata 27 tis. Kč Klapan 70 tis. Kč Bankovní poplatky 15 tis. Kč Cestovné Moskva 177 tis. Kč Náklady za použití S tis. Kč Celkem 658 tis. Kč

Plán konstrukce systému plynného napouštění na principu elektromagnetického klapanu 2.realizace třítýdenních experimentů na S-300 v KI zátěž ve formě deuteriového gas-puff 3.Výpočty a simulace určující energetické rozložení neutronů a deuteronů, studium vlivu magnetických polí 4.vývoj z-pinčové aparatury na ČVUT pro studium D-D fúzní reakce 5.zpracování a interpretace výsledků, prezentace na konferencích 6.účast mladých vědeckých pracovníků a studentů na výzkumu a to jak na experimentech, při zpracování výsledků, tak na modelování, vývoji numerických metod a teorie

Plánované výdaje 2008 Neinvestiční prostředky Spotřební materiál, filtry, plyny,… Kč DHM – detekce RTG, neutronů Kč Cestovné Moskva, prezentace výsledků, návštěvy Kč Příslušenství aparatury ČVUT Kč Režie S Kč Celkem Kč

Srovnání neutronových zisků D+D Zařízení Neutronový zisk PlánZátěž JET plyn m -3 ITER (2021)plyn m -3 Compass (2009)plyn m -3 Z-device (18 MA) 6x10 13 plyn m -3 ZR-device (27 MA) 2x10 15 (2008)plyn m -3 PFZ (0.2 MA) 10 6 (2008)plyn m -3 PF-1000 (1.5 MA) 2x10 11 plyn m -3 S-300 (1.5 MA) plyn m -3 OMEGA 5x10 11 kryog. pelet NIF (2010)kryog. pelet