Стабильность плазмы
Степень, в которой нарушение равновесной плазменной системы приведет к ее дестабилизации
Шар, покоящийся в долине ( справа ), вернется на дно, если его слегка сдвинуть или возмущен , и, таким образом, он динамически устойчив . Шар на вершине холма ( слева ) будет ускоряться от точки покоя, если его возмущение, и, таким образом, он динамически неустойчив . У плазмы есть много механизмов, которые заставляют ее попадать во вторую группу при определенных условиях.

В физике плазмы устойчивость плазмы касается свойств устойчивости плазмы в равновесии и ее поведения при малых возмущениях. Устойчивость системы определяет, будут ли возмущения расти, колебаться или затухать . Это важное соображение в таких темах, как ядерный синтез и астрофизическая плазма .

Во многих случаях плазму можно рассматривать как жидкость и анализировать с помощью теории магнитной гидродинамики (МГД). МГД-стабильность необходима для стабильной работы устройств термоядерного синтеза с магнитным удержанием и накладывает определенные эксплуатационные ограничения. Например, бета-предел устанавливает максимально достижимую бета-плазму в токамаках .

С другой стороны, мелкомасштабные плазменные нестабильности (обычно описываемые кинетической теорией ), такие как неустойчивость дрейфовой волны , считаются движущим механизмом турбулентного переноса в токамаках, что приводит к высокой скорости переноса частиц и энергии через ограничивающие магнитные поля. Плазменные нестабильности, описываемые кинетической теорией, могут содержать такие аспекты, как эффекты конечного радиуса Лармора (FLR) и резонансные взаимодействия волн и частиц, которые не учитываются в жидкостных моделях, таких как МГД.

Нестабильность плазмы

Нестабильности плазмы можно разделить на две основные группы:

  1. гидродинамическая неустойчивость
  2. кинетическая нестабильность.

Плазменные неустойчивости также классифицируются по различным режимам (например, по отношению к пучку частиц): [1] [2]

Мода
(азимутальное волновое число)		ПримечаниеОписаниеРадиальные модыОписание
м=0Нестабильность колбасы
: отображает гармонические изменения радиуса пучка в зависимости от расстояния вдоль оси пучка.		н=0Аксиальное выдавливание
п=1Стандартная колбаса
п=2Аксиальная группировка
м=1Извилистая , перегибная или шланговая нестабильность:
представляет собой поперечные смещения поперечного сечения балки без изменения формы или характеристик балки, за исключением положения ее центра масс.
м=2Режимы филаментации:
рост приводит к распаду пучка на отдельные филаменты.		Дает эллиптическое поперечное сечение
м=3Дает грушевидное (пириформное) поперечное сечение.
м=4Состоит из четырех переплетенных спиралей

Список плазменных нестабильностей

МГД-неустойчивости

Бета — это отношение давления плазмы к напряженности магнитного поля . [33] β = п п маг = н к Б Т ( Б 2 / 2 μ 0 ) {\displaystyle \beta ={\frac {p}{p_{\text{mag}}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}}

МГД-устойчивость при высоком бета имеет решающее значение для компактного, экономически эффективного магнитного термоядерного реактора. Плотность мощности термоядерного синтеза варьируется примерно как при постоянном магнитном поле или как при постоянной доле бутстрапа в конфигурациях с внешним током плазмы. (Вот нормализованная бета.) Во многих случаях МГД-устойчивость представляет собой основное ограничение на бета и, следовательно, на плотность мощности термоядерного синтеза. МГД-устойчивость также тесно связана с вопросами создания и поддержания определенных магнитных конфигураций, ограничения энергии и стационарной работы. К критическим вопросам относятся понимание и расширение пределов устойчивости за счет использования различных плазменных конфигураций и разработка активных средств для надежной работы вблизи этих пределов. Необходимы точные прогностические возможности, которые потребуют добавления новой физики к существующим моделям МГД. Хотя существует широкий спектр магнитных конфигураций, базовая физика МГД является общей для всех. Понимание МГД-устойчивости, полученное в одной конфигурации, может принести пользу другим, путем проверки аналитических теорий, предоставления контрольных показателей для прогностических кодов МГД-устойчивости и продвижения разработки активных методов управления. β 2 {\displaystyle \бета ^{2}} β Н 4 {\displaystyle \beta _{N}^{4}} β Н = β / ( я / а Б ) {\displaystyle \beta _{N}=\beta /(I/aB)}

Наиболее фундаментальная и критическая проблема стабильности для магнитного синтеза заключается в том, что МГД-неустойчивости часто ограничивают производительность при высоком бета. В большинстве случаев важными нестабильностями являются длинноволновые глобальные моды из-за их способности вызывать серьезную деградацию удержания энергии или прекращение плазмы. Некоторые важные примеры, которые являются общими для многих магнитных конфигураций, — это идеальные моды перегиба, моды резистивной стенки и неоклассические моды разрыва. Возможным последствием нарушения границ стабильности является разрушение, внезапная потеря тепловой энергии, часто сопровождаемая прекращением разряда. Таким образом, ключевой вопрос включает понимание природы бета -предела в различных конфигурациях, включая связанные с этим тепловые и магнитные напряжения, и поиск способов избежать ограничений или смягчить последствия. Изучается широкий спектр подходов к предотвращению таких нестабильностей, включая оптимизацию конфигурации плазмы и ее устройства удержания, управление внутренней структурой плазмы и активное управление МГД-неустойчивостями.

Идеальные нестабильности

Идеальные МГД-неустойчивости, вызванные градиентами тока или давления, представляют собой предельный эксплуатационный предел для большинства конфигураций. Пределы длинноволнового режима перегиба и коротковолнового режима баллонирования, как правило, хорошо понятны и в принципе их можно избежать.

Промежуточные моды длин волн (n ~ 5–10 мод, встречающихся в плазме на периферии токамака , например) изучены хуже из-за вычислительно интенсивной природы расчетов устойчивости. Обширная база данных бета-пределов для токамаков согласуется с идеальными пределами устойчивости МГД, давая согласие в пределах около 10% в бета для случаев, когда внутренние профили плазмы точно измерены. Это хорошее согласие обеспечивает уверенность в идеальных расчетах устойчивости для других конфигураций и в проектировании прототипов термоядерных реакторов.

Режимы резистивной стены

Резистивные моды стенки (RWM) развиваются в плазме, которая требует наличия идеально проводящей стенки для стабильности. Устойчивость RWM является ключевой проблемой для многих магнитных конфигураций. Умеренные значения бета возможны без близлежащей стенки в токамаке , стеллараторе и других конфигурациях, но близлежащая проводящая стенка может значительно улучшить идеальную устойчивость моды перегиба в большинстве конфигураций, включая токамак, ST , пинч с обратным полем (RFP), сферомак и, возможно, FRC. В усовершенствованном токамаке и ST стабилизация стенки имеет решающее значение для работы с большой долей бутстрапа. Сферомак требует стабилизации стенки, чтобы избежать низко-m, n наклонных и сдвиговых мод и, возможно, изгибных мод. Однако при наличии неидеальной стенки медленно растущий RWM нестабилен. Резистивная мода стенки была давней проблемой для RFP и совсем недавно наблюдалась в экспериментах на токамаке. Прогресс в понимании физики RWM и разработке средств его стабилизации может быть напрямую применим ко всем магнитным конфигурациям. Тесно связанный вопрос заключается в понимании вращения плазмы, ее источников и стоков, а также ее роли в стабилизации RWM.

Резистивные нестабильности

Резистивные нестабильности являются проблемой для всех магнитных конфигураций, поскольку начало может происходить при значениях бета значительно ниже идеального предела. Устойчивость неоклассических разрывных мод (NTM) является ключевой проблемой для магнитных конфигураций с сильным током бутстрепа . NTM является метастабильным режимом; в определенных плазменных конфигурациях достаточно большая деформация тока бутстрепа, создаваемая «затравочным островом», может способствовать росту острова. NTM уже является важным фактором, ограничивающим производительность во многих экспериментах с токамаками, что приводит к ухудшению удержания или разрушению. Хотя основной механизм хорошо известен, возможность предсказать начало в настоящих и будущих устройствах требует лучшего понимания механизмов затухания, которые определяют размер порогового острова, и связи мод, с помощью которой другие нестабильности (например, пилообразные зубья в токамаках) могут генерировать затравочные острова. Резистивный режим баллонирования , аналогичный идеальному баллонированию, но с учетом конечного удельного сопротивления, представляет собой еще один пример резистивной нестабильности.

Возможности улучшения устойчивости МГД

Конфигурация

Конфигурация плазмы и ее ограничивающее устройство представляют возможность улучшить МГД-устойчивость надежным способом. Преимущества формирования разряда и низкого аспектного отношения для идеальной МГД-устойчивости были наглядно продемонстрированы в токамаках и ST и будут продолжать исследоваться в таких экспериментах, как DIII-D , Alcator C-Mod , NSTX и MAST . Новые эксперименты со стеллараторами, такие как NCSX (предложенный), проверят предсказание о том, что добавление надлежащим образом спроектированных спиральных катушек может стабилизировать идеальные изгибные моды при высоком бета, а тесты на устойчивость к раздуванию при низком бета возможны в HSX. Новые эксперименты со ST предоставляют возможность проверить предсказания о том, что низкое аспектное отношение обеспечивает улучшенную устойчивость к разрывным модам, включая неоклассические, посредством большого стабилизирующего термина « эффект Глассера », связанного с большим током Пфирша-Шлютера. Неоклассических разрывных мод можно избежать, минимизируя ток бутстрепа в квазиспиральных и квазивсемогущих конфигурациях стелларатора. Неоклассические режимы разрыва также стабилизируются с соответствующими относительными знаками тока бутстрепа и магнитного сдвига; это предсказание подтверждается отсутствием NTM в центральных областях отрицательного сдвига токамаков. Конфигурации стелларатора, такие как предлагаемая NCSX, квазиосесимметричная конструкция стелларатора, могут быть созданы с отрицательным магнитным сдвигом и положительным током бутстрепа для достижения устойчивости NTM. Стабилизация режима изгиба резистивной стенкой была продемонстрирована в RFP и токамаках и будет исследована в других конфигурациях, включая ST (NSTX) и сферомаки (SSPX). Новое предложение по стабилизации режимов резистивной стенки текущей жидкой литиевой стенкой требует дальнейшей оценки.

Внутренняя структура

Контроль внутренней структуры плазмы позволяет более активно избегать МГД-неустойчивостей. Поддержание надлежащего профиля плотности тока, например, может помочь поддерживать устойчивость к разрывным модам. Оптимизация профилей давления и плотности тока по разомкнутому контуру с внешним нагревом и источниками тока обычно используется во многих устройствах. Улучшенные диагностические измерения вместе с локализованными источниками нагрева и тока, которые теперь становятся доступными, позволят осуществлять активное управление обратной связью внутренних профилей в ближайшем будущем. Такая работа начинается или планируется в большинстве крупных токамаков ( JET , JT–60U , DIII–D , C–Mod и ASDEX–U ) с использованием ВЧ- нагрева и тока. Анализ данных профиля в реальном времени, таких как измерения профиля тока MSE и идентификация границ устойчивости в реальном времени, являются важнейшими компонентами управления профилем. Сильное вращение плазмы может стабилизировать резистивные моды стенки, как было продемонстрировано в экспериментах на токамаке, а также прогнозируется, что вращательный сдвиг стабилизирует резистивные моды. Возможности проверки этих предсказаний предоставляются такими конфигурациями, как ST, сферомак и FRC, которые имеют большое естественное диамагнитное вращение, а также токамаки с вращением, управляемым инжекцией нейтрального пучка. Эксперимент с электрическим токамаком предполагает очень большое управляемое вращение, приближающееся к альфвеновским режимам, где идеальная стабильность также может быть затронута. Поддержание достаточного вращения плазмы и возможная роль RWM в демпфировании вращения являются важными вопросами, которые могут быть исследованы в этих экспериментах.

Контроль обратной связи

Активное управление МГД-неустойчивостями с обратной связью должно позволить работать за пределами «пассивных» пределов устойчивости. Прогнозируется, что локализованное возбуждение тока ВЧ на рациональной поверхности уменьшит или устранит неоклассические острова разрывной моды. Эксперименты начались в ASDEX–U и COMPASS-D с многообещающими результатами и запланированы на следующий год [ необходимо разъяснение ] в DIII–D. Рутинное использование такой техники в условиях обобщенной плазмы потребует идентификации нестабильной моды и ее радиального расположения в реальном времени. Если вращение плазмы, необходимое для стабилизации резистивной моды стенки, не может быть сохранено, потребуется стабилизация обратной связи с помощью внешних катушек. Эксперименты с обратной связью начались в DIII–D и HBT-EP, и управление обратной связью должно быть изучено для RFP и других конфигураций. Физическое понимание этих методов активного управления будет напрямую применимо между конфигурациями.

Смягчение последствий сбоев

Методы, рассмотренные выше для улучшения МГД-стабильности, являются основными средствами избежания сбоев. Однако в случае, если эти методы не предотвращают нестабильность, последствия сбоя можно смягчить различными методами. Эксперименты в JT–60U продемонстрировали снижение электромагнитных напряжений за счет работы в нейтральной точке для вертикальной устойчивости. Упреждающее удаление энергии плазмы путем инжекции большого газового потока или примесной пеллеты было продемонстрировано в экспериментах с токамаками, а продолжающиеся эксперименты в C–Mod, JT–60U, ASDEX–U и DIII–D улучшат понимание и предсказательную способность. Криогенные жидкие струи гелия являются еще одним предлагаемым методом, который может потребоваться для более крупных устройств. Методы смягчения, разработанные для токамаков, будут напрямую применимы к другим конфигурациям.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Gsponer, Andre (29.09.2004). "Физика распространения пучков высокоинтенсивных частиц высокой энергии в плазме открытого воздуха и космического пространства". arXiv : physics/0409157 .
  2. ^ Зохури, Бахман (2017-02-23). ​​Магнитное удержание термоядерной энергии, управляемой термоядерным синтезом. Springer. ISBN 9783319511771.
  3. ^ Бунеман, О., «Неустойчивость, турбулентность и проводимость в плазме с током» (1958) Physical Review Letters , т. 1, выпуск 1, стр. 8-9
  4. ^ Фарли, Д. Т. (1963). «Неустойчивость двух потоков плазмы как источник неоднородностей в ионосфере». Physical Review Letters . 10 (7): 279–282. Bibcode : 1963PhRvL..10..279F. doi : 10.1103/PhysRevLett.10.279.
  5. ^ Бунеман, О. (1963). «Возбуждение выровненных по полю звуковых волн потоками электронов». Physical Review Letters . 10 (7): 285–287. Bibcode : 1963PhRvL..10..285B. doi : 10.1103/PhysRevLett.10.285.
  6. ^ Meuris, Peter; Verheest, Frank; Lakhina, GS (1997). "Влияние распределений масс пыли на обобщенные неустойчивости Джинса-Бунемана в пылевой плазме". Planetary and Space Science . 45 (4): 449–454. Bibcode :1997P&SS...45..449M. doi :10.1016/s0032-0633(96)00155-9. ISSN  0032-0633.
  7. ^ Pandey, BP; Lakhina, GS (1998). «Неустойчивость Джинса-Бунемана в пылевой плазме». Pramana . 50 (2): 191–204. Bibcode :1998Prama..50..191P. doi :10.1007/bf02847529. ISSN  0304-4289. S2CID  119658085.
  8. ^ Albright, BJ; Yin, L.; Bowers, Kevin J.; Hegelich, BM; Flippo, KA; Kwan, TJT; Fernández, JC (2007). "Релятивистская неустойчивость Бунемана в форсажной камере лазерного прорыва". Physics of Plasmas . 14 (9): 094502. Bibcode : 2007PhPl...14i4502A. doi : 10.1063/1.2768933. ISSN  1070-664X.
  9. ^ Хо, ТХ; Лин, А.Т., «Циклотронно-Черенковская и черенковская неустойчивости» (1990) IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), т. 18, июнь 1990 г., стр. 513-517
  10. ^ Finn, JM; Kaw, PK (1977). "Неустойчивость коалесценции магнитных островов" (PDF) . Physics of Fluids . 20 (1): 72. Bibcode :1977PhFl...20...72F. doi :10.1063/1.861709. ISSN  0031-9171. OSTI  7364034. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
  11. ^ Sprangle, P.; Chu, KR; Drobot, AT; Granatstein, VL (1977). «Теория неустойчивости циклотронного мазера». 1977 2-я Международная тематическая конференция по технологии исследования электронных пучков . 2 : 703–716.
  12. ^ Ум, ХС; Сиамбис, ДжГ, «Диокотронная неустойчивость релятивистского полого электронного пучка» (1979) Физика жидкостей , т. 22, декабрь 1979, стр. 2377-2381.
  13. ^ Б. Кадомцев, Б (1975-09-30). «О деструктивной неустойчивости в токамаках». Советский журнал физики плазмы . 1 : 710–715.
  14. ↑ 11 ноября 2003 г., BBC News: Солнечная вспышка «воспроизведена» в лаборатории.
  15. ^ Connor, JW (1998). «Локализованные на краю моды — физика и теория». Plasma Physics and Controlled Fusion . 40 (5): 531–542. Bibcode : 1998PPCF...40..531C. doi : 10.1088/0741-3335/40/5/002. ISSN  0741-3335. S2CID  250851791.
  16. ^ Коули, Стивен С.; Уилсон, Ховард; Ураган, Омар; Фонг, Брайан (2003). «Взрывные неустойчивости: от солнечных вспышек до локализованных на краю мод в токамаках». Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 45 (12A): A31. Bibcode : 2003PPCF...45A..31C. doi : 10.1088/0741-3335/45/12A/003. ISSN  0741-3335. S2CID  250824453.
  17. ^ Беначек, Й.; Карлицкий, М. (2018). «Неустойчивость двойного плазменного резонанса как источник солнечного зебрового излучения». Астрономия и астрофизика . 611 (60): A60. arXiv : 1711.04281 . Bibcode : 2018A&A...611A..60B. doi : 10.1051/0004-6361/201731424. ISSN  0004-6361. S2CID  119402131.
  18. ^ Резерфорд, PH (1968). «Дрейфовые неустойчивости в общих конфигурациях магнитного поля». Физика жидкостей . 11 (3): 569–585. Bibcode :1968PhFl...11..569R. doi :10.1063/1.1691954. ISSN  0031-9171.
  19. ^ Розенберг, М.; Мерлино, Р.Л. (2013). «Дрейфовая неустойчивость в плазме положительных ионов–отрицательных ионов». Журнал физики плазмы . 79 (5): 949–952. Bibcode :2013JPlPh..79..949R. doi :10.1017/S0022377813000858. ISSN  0022-3778. S2CID  85520731.
  20. ^ Голдстон, Р. Дж. (1995). Введение в физику плазмы . Резерфорд, П. Х. (Пол Хардинг), 1938-. Бристоль, Великобритания: Институт физики. ISBN 978-0750303255. OCLC  33079555.
  21. ^ Погуце, ОП (1968). «Магнитная дрейфовая неустойчивость в бесстолкновительной плазме». Физика плазмы . 10 (7): 649–664. Bibcode :1968PlPh...10..649P. doi :10.1088/0032-1028/10/7/301. ISSN  0032-1028.
  22. ^ Крафт, К.; Волокитин, А. (2010). "Нелинейная веерная неустойчивость электромагнитных волн". Физика плазмы . 17 (10): 102303. Bibcode :2010PhPl...17j2303K. doi :10.1063/1.3479829. ISSN  1070-664X.
  23. ^ Шукла, П. К.; Стенфло, Л. (2006-02-08). «Неустойчивость Джинса в самогравитирующей пылевой плазме». Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 462 (2066): 403–407. Bibcode : 2006RSPSA.462..403S. doi : 10.1098/rspa.2005.1594. ISSN  1364-5021. S2CID  122754120.
  24. ^ Sarkar, Susmita; Maity, Saumyen; Roy, B; Khan, Manoranjan (2010-01-18). "Неустойчивость Джина в дрейфующей пылевой плазме при наличии вторичной электронной эмиссии". Physica Scripta . 81 (2): 025504. Bibcode :2010PhyS...81b5504S. doi :10.1088/0031-8949/81/02/025504. ISSN  0031-8949. S2CID  121301944.
  25. ^ Голдстон, Р. Дж. (1995). Введение в физику плазмы . Резерфорд, П. Х. (Пол Хардинг), 1938-. Бристоль, Великобритания: Институт физики. ISBN 978-0750303255. OCLC  33079555.
  26. ^ Ким, Дж.; Рю, Д.; Хонг, СС; Ли, СМ; Франко, Дж. (2004), «Неустойчивость Паркера», Библиотека астрофизики и космической науки , т. 315, Kluwer Academic Publishers, стр. 315–322, Bibcode : 2004ASSL..315..315K, doi : 10.1007/1-4020-2620-x_65, ISBN 978-1402026195
  27. ^ Бисселл, Дж. Дж., Риджерс, К. П. и Кингем, Р. Дж. «Сжимающая поле магнитотермическая неустойчивость в лазерной плазме» (2010) Physical Review Letters , том 105, 175001
  28. ^ Франк-Каменецкий, DA (1972), «Неустойчивость пинча», Плазма , Macmillan Education UK, стр. 95–96, doi :10.1007/978-1-349-01552-8_30, ISBN 9781349015542
  29. ^ Мейерович, О.Е. (май 1986 г.). "Устойчивость пинча Беннетта" (PDF) . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 63 (5): 1646. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
  30. ^ Boeuf, Jean-Pierre; Chaudhury, Bhaskar (2013). «Вращающаяся неустойчивость в низкотемпературной намагниченной плазме». Physical Review Letters . 111 (15): 155005. Bibcode : 2013PhRvL.111o5005B. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.155005. PMID  24160609.
  31. ^ Furth, Harold P.; Killeen, John; Rosenbluth, Marshall N. (1963). "Неустойчивости конечного сопротивления плоского зажима". Physics of Fluids . 6 (4): 459. Bibcode : 1963PhFl....6..459F. doi : 10.1063/1.1706761. ISSN  0031-9171.
  32. ^ Роулендс, Г.; Дикманн, М.Е.; Шукла, П.К. (2007). «Неустойчивость филаментации плазмы в одном измерении: нелинейная эволюция». New Journal of Physics . 9 (8): 247. Bibcode : 2007NJPh....9..247R. doi : 10.1088/1367-2630/9/8/247 . ISSN  1367-2630.
  33. ^ Вессон, Дж.: «Токамаки», 3-е издание, стр. 115, Oxford University Press, 2004
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_stability&oldid=1238927301"