Відділ створено у 1982 році. У складі відділу 3 доктори наук, 7 кандидатів наук та 2 інженери.
Тематика досліджень: Проводяться теоретичні дослідження фізичних процесів у плазмі провідних термоядерних систем: оптимізованих стелараторів, токамаків, сферичних торів. Центральне місце посідає вивчення процесів, пов’язаних з енергійними іонами, що утворюються внаслідок термоядерної реакції, інжекції пучків нейтральних атомів та високочастотного нагрівання плазми. Зокрема, вивчаються кінетичні та магніто- гідродинамічні нестійкості плазми, класичний та аномальний транспорт енергійних іонів. Розробляються питання фундаментального характеру, а також такі, що спрямовані на пояснення конкретних експериментальних даних та передбачення нових ефектів.
| Головні результати | Міжнародна співпраця | Проведення конференцій |
Головні результати:
1967 – 1980 рр.
Закладено основи фізики термоядерних альфа-частинок та термоядерного горіння у плазмі.
Відкрито новий клас нестійкостей реакторної плазми. Зараз такі нестійкості вивчаються у багатьох лабораторіях світу
як теоретично, так і експериментально.
Започатковано вивчення ефекту саморозігріву термоядерної плазми, що дозволило отримати простий критерій стійкості
термоядерного горіння та дослідити різні режими горіння.
Ці результати отримали загальне визнання й увійшли до огляду [Ya. I. Kolesnichenko, "The role of alpha particles in a tokamak reactor", Nuclear Fusion 20 (1980) 727 ], що широко цитується.
Результати, що отримані за цим напрямком, більш детально викладено в роботах:
- Я. И. Колесниченко, В. М. Ораевский, "О неустойчивости неоднородной плазмы, вызываемой продуктами термоядерной реакции", Атомная энергия 23 (1967) 289–291.
- В. С. Беликов, Я. И. Колесниченко, В. Н. Ораевский, "Устойчивость магнитоактивной плазмы с моноэнергетической компонентой", ЖЭТФ 55 (1968) 2210–2212.
- Ya. I. Kolesnichenko, S. N. Reznik, V. A. Yavorskij "Stability of the steady-state course of a thermonuclear reaction in an inhomogeneous plasma", Nuclear Fusion 16 (1976) 105–111.
- Ya. I. Kolesnichenko, "The role of alpha particles in a tokamak reactor" (invited review paper), Nuclear Fusion 20 (1980) 727–780.
1983 – 1989 рр.
Запропоновано нові методи підтримання струму в токамаках. Передбачено існування приосьового струму альфа-частинок. Це дозволило висунути концепцію стаціонарного токамака-реактора зі струмом, що підтримується внутрішніми процесами в плазмі завдяки генерації зародкового струму в околі магнітної осі альфа-частинками. Подальший розвиток ця концепція знайшла в США [K.C. Shaing et al., IAEA Fusion Energy-1998 Conference in Yokohama (IAEA, Vienna, 1999, on CD-ROM); Physics of Plasmas 4 (1997) 4331].
- V. Ya. Goloborod’ko, Ya. I. Kolesnichenko, V. A. Yavorskij, "Neoclassical theory of alpha particle transport in the central region of a tokamak plasma", Nuclear Fusion 23 (1983) 399–406.
- Ya. I. Kolesnichenko, D. Anderson, M. Lisak, H. Wilhelmsson, "Bootstrap tokamak reactor driven by fusion-produced alpha particles", Physical Review Letters 53 (1984) 1825–1828.
- Я. И. Колесниченко, В. В. Параил, Г. В. Переверзев, "Генерация безындукционного тока в токамаке", Вопросы теории плазмы, т. 17, Москва, Энергоатомиздат (1989), с. 3–156.
1990 – 1994 рр.
Вивчено стійкість плазми в тороїдальних магнітних пастках відносно квазіжолобкових збурень. Відкрито явище стабілізації балонних мод швидкими іонами. Передбачено існування кінетичних балонних мод. Отримано критерій стійкості балонних мод у плазмі з довільним профілем тиску.
- Zh. N. Andrushchenko, A. Ya. Bojko, O. K. Cheremnykh, "Interaction of trapped superthermal particles with ballooning flute modes in a tokamak with circular magnetic surfaces", Nuclear Fusion 30 (1990) 2997–2110.
- O. K. Cheremnykh, S. M. Revenchuk, "Dispersion relations for Suydam problem", Plasma Physics and Controlled Fusion 34 (1992) 55–75.
- O. S. Burdo, O. K. Cheremnykh, S. M. Revenchuk, V. D. Pustovitov, "General geometric dispersion relations for toroidal plasma configurations", Plasma Physics and Controlled Fusion 36 (1994) 641–656.
1992 р.
Висунуто ідею про якісно новий магнiто¬гiдродинамiчний (МГД) процес із перезамкненням силових ліній магнітного поля, який веде до розщеплення магнітних поверхонь, що є важливим для розуміння фізичних явищ як у лабораторній, так і в космічній плазмі. Зокрема, це дозволило дати пояснення істотним властивостям пилчастих коливань у токамаках. Згадані результати увійшли до монографії відомого американського фізика Р.Б. Вайта [R.B. White "The theory of toroidally confined plasmas", Imperial College Press, 2001].
- Ya. I. Kolesnichenko, Yu. V. Yakovenko, D. Anderson, M. Lisak, F. Wising, "Sawtooth oscillations with the central safety factor, q0, below unity", Physical Review Letters 68 (1992) 3881–3884.
1992 – 2000 рр.
Побудовано теорію транспорту енергійних іонів під час пилчастих коливань – типової форми МГД-активності плазми в токамаках, яка супроводжується пилкоподібними осциляціями температури плазми, рентгенівського випромінювання та нейтронної емісії. Завдяки цьому було відкрито існування критичної енергії іонів, вище якої іони стають нечутливими до МГД-активності плазми, тоді як іони з нижчою енергією виштовхуються з центру плазми на периферію МГД-збуреннями. Згодом це явище було підтверджено експериментально на TFTR – найбільшому американському токамаку [S. Medley et al., Nuclear Fusion 38 (1998) 1283]. Серія робіт Я. І. Колесниченка, В. В. Луценка, Ю. В. Яковенка "МГД-явища та транспорт іонів високих енергій у термоядерній плазмі" удостоєна премії НАН України ім. К. Д. Синельникова (2003 р.)
- Ya. I. Kolesnichenko, Yu. V. Yakovenko, "Sawtooth oscillations and fast-ion ejection in tokamaks", Nuclear Fusion 32 (1992) 449–464.
- Ya. I. Kolesnichenko, Yu. V. Yakovenko, "Theory of fast ion transport during sawtooth crashes in tokamaks", Nuclear Fusion 36 (1996) 159–172.
- Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, R. B. White, Yu. V. Yakovenko, "Effect of sawtooth oscillations on energetic ions" (invited overview), Nuclear Fusion 40 (2000) 1325–1341.
1995 – 2003 рр.
Розроблена тривимірна у просторі інваріантів руху Фоккер-Планківська модель швидких іонів в токамаках, яка знайшла використання для пояснення поведінки іонів інжекції та заряджених продуктів синтезу в TFTR та JET, а також для прогнозування ролі іонів високих енергій у реакторі ІТЕR.
- J. W. Goloborod’ko, S. N. Reznik, V. A. Yavorskij, S. J. Zweben, "Fokker-Planck 3-D modelling of axisymmetric collisional losses of fusion products in TFTR", Nuclear Fusion 35 (1995) 1523.
- V. A. Yavorskij, Zh. N. Andrushchenko, J. W. Edenstrasser, V. Ya. Goloborod'ko, "Three-dimen¬sional Fokker-Planck equation for fast ions in a tokamak with weak toroidal field ripples", Physics of Plasmas 6 (10) (1999) 3853.
- V. Yavorskij, V. Goloborod’ko, K. Schoepf, S. Sharapov, C. Challis, S. Reznik, D. Stork, "Confinement of fusion alpha-particles in JET hollow current equilibrium", Nuclear Fusion 43 (2003) 1077.
1997 p.
З´ясовано природу надтеплового іонно-циклотронного випромінювання (ІЦВ) з плазми в токамаках: показано, що воно виникає через магнітозвукову нестійкість, підсилену тороїдальним дрейфом енергійних іонів. Це пояснює низку особливостей частотного спектру ІЦВ в експериментах на європейському токамаці JET.
- T. Fülöp, Ya. I. Kolesnichenko, M. Lisak, D. Anderson, "Origin of superthermal ion cyclotron emission in tokamaks", Nuclear Fusion 37 (1997) 1281–1294.
1998 – 2000 рр.
Запропоновано механізм втрат частково загальмованих заряджених продуктів синтезу в токамаці TFTR.
- V. A. Yavorskij, V. Ya. Goloborod’ko, J. W. Edenstrasser, S. N. Reznik, S. J. Zweben, "Fokker-Planck modelling of delayed loss of charged fusion products in TFTR", Nuclear Fusion 38 (10) (1998) 1565.
- V. A. Yavorskij, V. Ya. Goloborod’ko, K. Schoepf, J. W. Edenstrasser, S. Kuhn, S. N. Reznik, S. J. Zweben, "Charged fusion product fluxes in the tokamak SOL region", Contrib. Plasma Phys., 40 (3-4) (2000) 346.
1999 p.
Показано, що фішбон-нестійкість – одна з найбільш небезпечних нестійкостей, що збуджуються енергійними іонами в токамаках – може стабілізуватися в плазмі сферичних торів з високим тиском плазми. Цей висновок знайшов підтвердження в експериментах на сферичному торі MAST (Великобританія) [M.P. Gryaznevich, S.E. Sharapov, Plasma Physics and Controlled Fusion 46 (2004) S15].
- Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, V. S. Marchenko, "Fishbone mode in spherical tokamaks", Physical Review Letters 82 (1999) 3260–3263.
2001 р.
Знайдено новий класичний (тобто, не пов´язаний з нестійкостями плазми) механізм стохастичної дифузії енергійних іонів в стелараторах, який вважається основним для оптимізованих стелараторів лінії Вендельштайн. Цей механізм пов´язаний з існуванням "перехідних" частинок, характер орбіт яких змінюється під час руху частинок.
- C. D. Beidler, Ya. I. Kolesnichenko, V. S. Marchenko, I. N. Sidorenko, H. Wobig, "Stochastic diffusion of energetic ions in optimized stellarators", Physics of Plasmas 8 (2001) 2731–2738.
2005 p.
Передбачено вплив оберненого ширу магнітного поля токамака на просторовий розподіл нейтронної емісії, що знайшов підтвердження в експериментах з інжекцією тритієвих пучків у дейтерієву плазму на токамаці JET.
- N. C. Hawkes, V. A. Yavorskij, J. M. Adams, Yu. F. Baranov, L. Bertalot, C. D. Challis, S. Conroy, V. Goloborod’ko, V. Kiptily, S. Popovichev, K. Schoepf, S. E. Sharapov, D. Stork, E. Surrey, JET EFDA Contributors, "Tritium fast ion distribution in JET current hole plasmas", Plasma Physics and Controlled Fusion 47 (2005) 1475–1494.
1999 – 2007 рр.
Розвинено теорію альфвенівських нестійкостей плазми в стелараторах – нестійкостей, яким приділяється велика увага в сучасних термоядерних дослідженнях. Відкрито нові типи альфвенівських коливань та резонансів частинка-хвиля, обумовлених відсутністю аксіальної симетрії у стелараторах. А саме, відкрито так звані "дзеркальні альфвенівські власні моди". Було показано, що ці моди, а також "гвинтові власні моди" можуть збуджуватися іонними пучками. Знайдено новий механізм аномальної теплопровідності плазми, який може мати місце також у космічній плазмі. Цей механізм було використано для інтерпретації експериментів на німецькому стелараторі Wendelstein 7-AS. Висновки теорії знайшли також підтвердження на найбільшому стелараторі LHD (Японія) [S. Yamamoto et al., Physical Review Letters 91 (2003) 245001]. Крім того, вони були використані при розробці концептуального проекту реактора-стеларатора "Helias" [C.D. Beidler et al., Nuclear Fusion 41 (2001) 1759].
- Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, H. Wobig, Yu. V. Yakovenko, O. P. Fesenyuk, "Alfvén continuum and high-frequency eigenmodes in optimized stellarators", Physics of Plasmas 8 (2001) 491–509.
- Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, H. Wobig, Yu. V. Yakovenko, "Alfvén eigenmodes and their destabilization by energetic circulating ions in Wendelstein-line stellarators" (invited paper), Nuclear Fusion 42 (2002) 949–958.
- Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, V. S. Marchenko, A. Weller, A. Werner, H. Wobig, Yu. V. Yakovenko, K. Yamazaki, "Fast ion confinement and fast-ion-induced effects in stellarators" (invited overview), Fusion Science and Technology 46 (2004) 54–63.
- Ya. I. Kolesnichenko, Yu. V. Yakovenko, A. Weller, A. Werner, J. Geiger, V. V. Lutsenko, S. Zegenhagen, "Novel mechanism of anomalous electron heat conductivity and thermal crashes during Alfvénic activity in Wendelstein 7-AS", Physical Review Letters 94 (2005) 165004 .
- Yu. V. Yakovenko, A. Weller, A. Werner, S. Zegenhagen, O. P. Fesenyuk, Ya. I. Kolesnichenko, "Poloidal trapping of the high-frequency Alfvén continuum and eigenmodes in stellarators", Plasma Physics and Controlled Fusion 49 (2007) 535–558.
Міжнародна співпраця:
- Інститут фізики плазми Макса Планка (Ґрайфсвальд, Німеччина);
- Принстонська лабораторія фізики плазми (Принстон, США);
- JET (Англія);
- Інсбруцький університет (Австрія);
- Гельсінський технічний університет (Фінляндія).
Проведення конференцій:
- Технічна конференція МАГАТЕ з фізики термоядерних альфа-частинок, Київ, 1989р. – перша конференція цієї серії.
- Українська конференція з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми, Київ – перша конференція цієї серії (1992 р.) та низка наступних конференцій (1994, 1997, 1999, 2007 рр.).
- Міжнародна конференція з новітніх концепцій та теорії стелараторів, Київ, 2001р. – перша конференція цієї серії.