ЧИСЛЕННАЯ МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА СОВМЕСТНО С ДИНАМИКОЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ ПО ВАКУУМНЫМ ВОЛНОВЫМ ЛИНИЯМ.

Егоров Н.В., Поздяева Е.А., Ивановский А.В., Соловьёв А.А.
РФЯЦ-ВНИИЭФ (607190, г. Саров, Нижегородская обл., Россия).


Развитие лабораторных методов исследований в области физики высоких плотностей энергии и термоядерного синтеза идёт по пути создания мощных энергетических устройств, позволяющих осуществить ввод энергии в макрообъёмы вещества за минимально возможные времена. В связи с этим в ведущих ядерных центрах мира планируется создание мощных лазерных установок (NIF в США, MEGAJOULE во Франции), позволяющих получить мегаджоульные уровни энергии за наносекундные времена в объёмах ~ 1 см3. Существенное продвижение в область нереализованных в лабораторных условиях параметров процессов физики высоких плотностей энергии можно осуществить на основе энергетических устройств электрофизического класса. Эти устройства могут дополнить возможности, а в ряде случаев стать альтернативными лазерным технологиям для реализации термоядерного синтеза в режиме инерционного удержания. Относительная дешевизна, по сравнению с лазерными проектами, позволяет развивать в США программу электрофизического комплекса XZ в Сандийской национальной лаборатории. В нашей стране развёрнуты работы по созданию взрывного комплекса ЭМИР на базе созданных технологий взрывомагнитных генераторов.

Создание электрофизических устройств нового поколения ставит задачу транспортировки и подвода к нагрузке сформированной электромагнитной энергии с ранее недостижимыми параметрами: мощностью до ~ 102 ТВт. В настоящее время транспортировка электромагнитной энергии с такими параметрами может мыслиться только по вакуумным волновым линиям с магнитной самоизоляцией. Вопрос о возможности реализации таких линий требует исследований. В частности, до сих пор не решена задача о предельной плотности энергии, транспортируемой по вакуумной волновой линии.

В настоящей работе сделан первый шаг к решению указанной выше задачи, а именно: создана численная методика решения уравнений Максвелла в двумерной геометрии самосогласованно с описанием динамики заряженных частиц путём решения уравнения Власова. Решение уравнений Максвелла проводится конечно-разностными методами на неравномерной пространственной сетке, уравнение Власова решается методом крупных частиц. При инжекции модельных частиц используется условие взрывной эмиссии с поверхности идеально проводящих электродов. Методика оттестирована на решении модельных задач. В качестве примера приведено численное решение задачи об установившемся режиме распространения волны магнитной самоизоляции в длинной волновой линии. Установившиеся параметры магнитоизолированного промежутка сравниваются с результатами решения по стационарной одномерной методике. Полученное согласие позволило использовать стационарную одномерную методику для исследования параметров магнитоизолированного слоя и их зависимости от характеристик волновой линии и приложенного потенциала.

Дальнейшее развитие методики предполагает введение модели инжекции и описание динамики ионов. Это позволит приблизиться к решению задачи о предельной плотности энергии, транспортируемой по вакуумной волновой линии, и минимально допустимых межэлектродных зазорах при концентрации энергии на нагрузке.