Стабильность плазмы - Plasma stability

Мяч покоится в долине (верно) вернется в нижнюю часть при небольшом перемещении, или возмущенный, и, таким образом, динамически стабильный. Один на вершине холма (оставили) будет ускоряться от точки покоя при возмущении и, таким образом, динамически нестабильный. Плазма обладает множеством механизмов, благодаря которым при определенных условиях она попадает во вторую группу.

В устойчивость плазмы является важным фактором при изучении физика плазмы. Когда система, содержащая плазма я сидела равновесие, возможно, что некоторые части плазмы будут возмущены небольшими возмущающими силами, действующими на нее. Устойчивость системы определяет, будут ли возмущения расти, колебаться или затухать.

Во многих случаях плазму можно рассматривать как жидкость, а ее стабильность анализировать с помощью магнитогидродинамика (МГД). МГД-теория - это простейшее представление плазмы, поэтому МГД-стабильность необходима для стабильных устройств, используемых для термоядерная реакция, конкретно энергия магнитного синтеза. Однако есть и другие типы нестабильность, такие как нестабильности в пространстве скоростей в магнитные зеркала и системы с балками. Бывают и редкие случаи систем, например то конфигурация с обратным полем, которые предсказываются МГД как нестабильные, но наблюдаются как стабильные, вероятно, из-за кинетических эффектов.

Плазменная нестабильность

Плазменные нестабильности можно разделить на две основные группы:

  1. гидродинамические неустойчивости
  2. кинетические нестабильности.

Плазменные нестабильности также подразделяются на различные режимы (например, применительно к пучку частиц):[1][2]

Режим
(азимутальное волновое число)		ПримечаниеОписаниеРадиальные режимыОписание
т = 0Колбаса нестабильность:
отображает гармонические изменения радиуса луча с расстоянием вдоль оси луча		п = 0Осевая выемка
п = 1Стандартная колбаса
п = 2Осевая группировка
m = 1Извилистый, перегиб или же шланг нестабильность:
представляет собой поперечные смещения поперечного сечения балки без изменения формы или характеристик балки, кроме положения ее центра масс
м = 2Режимы филаментации:
рост приводит к распаду пучка на отдельные нити.		Дает эллиптическое поперечное сечение
м = 3Придает грушевидное (грушевидное) поперечное сечение
м = 4Состоит из четырех переплетенных спиралей

Список нестабильностей плазмы

МГД нестабильности

Бета - отношение давления плазмы к магнитное поле сила.

[33]

Стабильность МГД при высоком бета-коэффициенте критически важна для компактного и экономичного магнитного термоядерного реактора. Плотность мощности термоядерного синтеза изменяется примерно как при постоянном магнитном поле или как при постоянной доле бутстрапа в конфигурациях с внешним током плазмы. (Здесь является нормализованным бета-коэффициентом.) Во многих случаях стабильность МГД представляет собой основное ограничение для бета-излучения и, следовательно, плотности мощности термоядерного синтеза. Стабильность МГД также тесно связана с проблемами создания и поддержания определенных магнитных конфигураций, удержания энергии и стационарной работы. Критические вопросы включают понимание и расширение пределов устойчивости за счет использования различных конфигураций плазмы и разработку активных средств для надежной работы вблизи этих пределов. Необходимы точные возможности прогнозирования, что потребует добавления новой физики к существующим МГД-моделям. Хотя существует широкий диапазон магнитных конфигураций, основная физика МГД является общей для всех. Понимание стабильности МГД, полученное в одной конфигурации, может принести пользу другим путем проверки аналитических теорий, предоставления эталонов для прогнозирующих кодов стабильности МГД и продвижения разработки методов активного управления.

Самая фундаментальная и критическая проблема стабильности для магнитного синтеза заключается в том, что нестабильность МГД часто ограничивает производительность при высоких значениях бета. В большинстве случаев важными нестабильностями являются длинноволновые глобальные моды из-за их способности вызывать серьезное ухудшение удержания энергии или прекращение действия плазмы. Некоторыми важными примерами, которые являются общими для многих магнитных конфигураций, являются режимы идеального перегиба, режимы резистивных стенок и неоклассические режимы разрывов. Возможным следствием нарушения границ устойчивости является нарушение, внезапная потеря тепловой энергии, часто сопровождаемая прекращением разряда. Таким образом, ключевой вопрос заключается в понимании природы предел бета в различных конфигурациях, включая связанные с ними тепловые и магнитные напряжения, и поиск способов избежать ограничений или смягчить последствия. Исследуется широкий спектр подходов к предотвращению таких нестабильностей, включая оптимизацию конфигурации плазмы и устройства ее удержания, управление внутренней структурой плазмы и активное управление МГД-неустойчивостями.

Идеальные нестабильности

Идеальная нестабильность МГД, вызванная градиентами тока или давления, представляет собой окончательный рабочий предел для большинства конфигураций. Пределы длинноволновой моды излома и коротковолновой баллонной моды обычно хорошо известны, и в принципе их можно избежать.

Промежуточные волны (n ~ 5–10 мод встречаются в токамак краевая плазма, например) менее изучены из-за вычислительно-ресурсоемкого характера расчетов устойчивости. Обширная база данных пределов бета-излучения для токамаков соответствует идеальным пределам стабильности МГД, давая согласие с точностью до 10% в бета-диапазоне для случаев, когда внутренние профили плазмы точно измерены. Это хорошее согласие обеспечивает уверенность в расчетах идеальной устойчивости для других конфигураций и в конструкции прототипов термоядерных реакторов.

Режимы резистивной стены

Режимы резистивной стенки (RWM) развиваются в плазме, для стабильности которой требуется наличие идеально проводящей стенки. Стабильность RWM является ключевой проблемой для многих магнитных конфигураций. Умеренные значения бета возможны без ближайшей стены в токамак, стелларатор, и другие конфигурации, но соседняя проводящая стена может значительно улучшить стабильность идеального режима перегиба в большинстве конфигураций, включая токамак, ST, пинч с перевернутым полем (RFP), сферомак, и, возможно, FRC. В усовершенствованных токамаках и ST стабилизация стенок критична для работы с большим бутстрап-фракция. Сферомак требует стабилизации стенок, чтобы избежать режимов наклона и сдвига с малым m, n и, возможно, режимов изгиба. Однако при наличии неидеальной стенки медленно растущая RWM нестабильна. Режим резистивной стенки был давней проблемой для RFP, а в последнее время наблюдался в экспериментах на токамаках. Прогресс в понимании физики RWM и разработке средств его стабилизации может быть напрямую применим ко всем магнитным конфигурациям. С этим тесно связан вопрос о вращении плазмы, его источниках и стоках, а также о его роли в стабилизации RWM.

Резистивные нестабильности

Резистивная нестабильность является проблемой для всех магнитных конфигураций, поскольку начало может происходить при значениях бета, значительно ниже идеального предела. Стабильность неоклассических мод разрывов (NTM) является ключевой проблемой для магнитных конфигураций с сильным начальный ток. NTM - это метастабильный режим; в определенных плазменных конфигурациях достаточно большая деформация бутстрэп-тока, создаваемая «затравочным островком», может способствовать росту островка. NTM уже является важным фактором, ограничивающим производительность во многих экспериментах с токамаками, что приводит к ухудшению локализации или нарушению работы. Несмотря на то, что основной механизм хорошо установлен, способность прогнозировать возникновение в нынешних и будущих устройствах требует лучшего понимания механизмов демпфирования, которые определяют размер порогового островка, и взаимодействия мод, с помощью которого могут быть другие нестабильности (например, зубья в токамаках). генерировать семенные острова. Резистивный режим воздушного шара, подобный идеальному баллону, но с учетом конечного удельного сопротивления, представляет собой еще один пример резистивной нестабильности.

Возможности повышения стабильности МГД

Конфигурация

Конфигурация плазмы и ее удерживающего устройства дает возможность надежным образом улучшить стабильность МГД. Преимущества формирования разряда и низкого соотношения сторон для идеальной стабильности МГД были четко продемонстрированы в токамаках и ST и будут продолжать исследоваться в таких экспериментах, как DIII-D, Алкатор C-Mod, NSTX, и МАЧТА. Новые стеллараторные эксперименты, такие как NCSX (предложено) будет проверять предсказание о том, что добавление спиральных катушек соответствующей конструкции может стабилизировать идеальные режимы перегиба при высоком бета-коэффициенте, а в HSX возможны тесты устойчивости к раздуванию с более низким бета-кодом. Новые эксперименты ST предоставляют возможность проверить предсказания о том, что низкое соотношение сторон обеспечивает улучшенную стабильность в режимах разрыва, включая неоклассический, за счет большого стабилизирующего «Эффект стекла «Термин, связанный с большим течением Пфирша-Шлютера. Неоклассических режимов разрыва можно избежать, минимизируя ток начальной загрузки в квазивиральных и квази-всенаправленных конфигурациях стеллараторов. Неоклассические режимы разрыва также стабилизируются соответствующими относительными знаками бутстрэп-тока и магнитного сдвига; это предположение подтверждается отсутствием NTM в центральных областях отрицательного сдвига токамаков. Конфигурации стелларатора, такие как предложенный NCSX, квазиосимметричная конструкция стелларатора, могут быть созданы с отрицательным магнитным сдвигом и положительным током начальной загрузки для достижения стабильности 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 мод резистивных стенок с помощью текущей жидкой литиевой стенки требует дальнейшей оценки.

Внутренняя структура

Управление внутренней структурой плазмы позволяет более активно избегать МГД-неустойчивостей. Например, поддержание надлежащего профиля плотности тока может помочь сохранить стабильность в режимах разрыва. Оптимизация без обратной связи профилей давления и плотности тока с внешними источниками нагрева и тока обычно используется во многих устройствах. Улучшенные диагностические измерения наряду с локализованными источниками нагрева и тока, которые теперь становятся доступными, позволят в ближайшем будущем осуществлять активный контроль внутренних профилей с обратной связью. Такая работа уже началась или планируется в большинстве крупных токамаков (JET, JT – 60U, DIII – D, C – Mod, и ASDEX – U ) с помощью РФ подогрев и ток привода. Анализ данных профиля в реальном времени, таких как измерения текущего профиля MSE и определение границ устойчивости в реальном времени, являются важными компонентами управления профилем. Сильное вращение плазмы может стабилизировать режимы резистивных стенок, как продемонстрировано в экспериментах на токамаках, а вращательный сдвиг также предсказывается для стабилизации резистивных мод. Возможности для 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. В Электрический токамак эксперимент предназначен для очень большого приводимого вращения, приближающегося к Альфвеник режимы, в которых также может влиять идеальная стабильность. Поддержание достаточного вращения плазмы и возможная роль RWM в гашении вращения являются важными вопросами, которые могут быть исследованы в этих экспериментах.

Контроль обратной связи

Активное управление с обратной связью при МГД нестабильностях должно позволять работу за пределами «пассивной» устойчивости. Предполагается, что локализованный ВЧ-ток на рациональной поверхности уменьшит или устранит неоклассические островки слезоточивого режима. Эксперименты начались в ASDEX – U и COMPASS-D с многообещающими результатами и запланированы на следующий год.[требуется разъяснение ] в DIII – D. Регулярное использование такого метода в обобщенных условиях плазмы потребует идентификации неустойчивой моды и ее радиального местоположения в реальном времени. Если вращение плазмы, необходимое для стабилизации режима резистивной стенки, не может поддерживаться, потребуется стабилизация обратной связи с помощью внешних катушек. Эксперименты с обратной связью начались в DIII – D и HBT-EP, и необходимо изучить управление с обратной связью для RFP и других конфигураций. Понимание физики этих активных методов управления будет напрямую применяться между конфигурациями.

Смягчение разрушений

Обсуждаемые выше методы повышения стабильности МГД являются основным средством предотвращения сбоев. Однако в том случае, если эти методы не предотвращают нестабильность, последствия нарушения могут быть смягчены различными методами. Эксперименты на JT – 60U продемонстрировали снижение электромагнитных напряжений за счет работы в нейтральной точке для обеспечения вертикальной устойчивости. Упреждающее удаление энергии плазмы путем впрыска большой струи газа или гранулы примесей было продемонстрировано в экспериментах на токамаках, и текущие эксперименты в C – Mod, JT – 60U, ASDEX – U и DIII – D улучшат понимание и возможности прогнозирования. Криогенные жидкие струи гелия - еще один предложенный метод, который может потребоваться для более крупных устройств. Методы смягчения последствий, разработанные для токамаков, будут напрямую применимы к другим конфигурациям.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гспонер, Андре (29.09.2004). «Физика распространения пучков высокоинтенсивных частиц высоких энергий в плазме открытого и космического пространства». arXiv:физика / 0409157.
  2. ^ Зохури, Бахман (23 февраля 2017 г.). Термоядерная энергия, управляемая термоядерным синтезом с магнитным удержанием. Springer. ISBN  9783319511771.
  3. ^ Бунеман, О. "Неустойчивость, турбулентность и проводимость токонесущей плазмы. " (1958) Письма с физическими проверками, т. 1, Issue 1, pp. 8-9
  4. ^ Фарли, Д. Т. (1963). «Двухпотоковая плазменная неустойчивость как источник неоднородностей в ионосфере». Письма с физическими проверками. 10 (7): 279–282. Bibcode:1963ПхРвЛ..10..279Ф. Дои:10.1103 / PhysRevLett.10.279.
  5. ^ Бунеман, О. (1963). «Возбуждение продольных звуковых волн электронными потоками». Письма с физическими проверками. 10 (7): 285–287. Bibcode:1963ПхРвЛ..10..285Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.10.285.
  6. ^ Меурис, Питер; Верхест, Франк; Лахина, Г.С. (1997). «Влияние массового распределения пыли на обобщенные неустойчивости Джинса-Бунемана в пылевой плазме». Планетарная и космическая наука. 45 (4): 449–454. Bibcode:1997P & SS ... 45..449M. Дои:10.1016 / с0032-0633 (96) 00155-9. ISSN  0032-0633.
  7. ^ Панди, Б. П.; Лахина, Г С (1998). «Неустойчивость Джинса-Бунемана в пылевой плазме». Прамана. 50 (2): 191–204. Bibcode:1998Прама..50..191П. Дои:10.1007 / bf02847529. ISSN  0304-4289. S2CID  119658085.
  8. ^ Олбрайт, Б. Дж .; Инь, Л .; Бауэрс, Кевин Дж .; Гегелих, Б. М .; Флиппо, К. А .; Kwan, T. J. T .; Фернандес, Дж. К. (2007). «Релятивистская неустойчивость Бунемана в форсажной камере прорыва лазера». Физика плазмы. 14 (9): 094502. Bibcode:2007ФПЛ ... 14и4502А. Дои:10.1063/1.2768933. ISSN  1070-664X.
  9. ^ Kho, T. H .; Лин, А. Т. "Циклотронно-черенковская и черенковская неустойчивости " (1990) IEEE Transactions по науке о плазме (ISSN 0093-3813), т. 18, июнь 1990 г., стр. 513-517
  10. ^ Finn, J.M .; Кау, П. К. (1977). «Коалесцентная неустойчивость магнитных островов» (PDF). Физика жидкостей. 20 (1): 72. Bibcode:1977Фл ... 20 ... 72Ф. Дои:10.1063/1.861709. ISSN  0031-9171.
  11. ^ Sprangle, P .; Чу, К. Р .; Дробот, А. Т .; Гранатштейн, В. Л. (1977). «Теория циклотронной мазерной неустойчивости». 1977 2-я Международная тематическая конференция по электронно-лучевым технологиям исследования. 2: 703–716.
  12. ^ Uhm, H. S .; Сиамбис, Дж. Г. "Диокотронная неустойчивость релятивистского полого электронного пучка " (1979) Физика жидкостей, т. 22, декабрь 1979 г., стр. 2377-2381.
  13. ^ Кадомцев Б., Б (30.09.1975). «О разрушительной нестабильности в токамаках». Советский журнал физики плазмы. 1: 710–715.
  14. ^ 11 ноября 2003 г., BBC News: Солнечная вспышка "воспроизведена" в лаборатории
  15. ^ Коннор, Дж. У. (1998). «Краевые моды - физика и теория». Физика плазмы и управляемый синтез. 40 (5): 531–542. Bibcode:1998PPCF ... 40..531C. Дои:10.1088/0741-3335/40/5/002. ISSN  0741-3335.
  16. ^ Коули, Стивен С .; Уилсон, Ховард; Ураган, Омар; Фонг, Брайан (2003). «Взрывные неустойчивости: от солнечных вспышек до краевых локализованных мод в токамаках». Физика плазмы и управляемый синтез. 45 (12A): A31. Bibcode:2003PPCF ... 45A..31C. Дои:10.1088 / 0741-3335 / 45 / 12A / 003. ISSN  0741-3335.
  17. ^ Benáček, J .; Карлики, М. (2018). «Двойная плазменная резонансная неустойчивость как источник солнечной зебры». Астрономия и астрофизика. 611 (60): A60. arXiv:1711.04281. Bibcode:2018A & A ... 611A..60B. Дои:10.1051/0004-6361/201731424. ISSN  0004-6361. S2CID  119402131.
  18. ^ Резерфорд, П. Х. (1968). «Дрейфовые неустойчивости в общих конфигурациях магнитного поля». Физика жидкостей. 11 (3): 569. Bibcode:1968Фл ... 11..569Р. Дои:10.1063/1.1691954. ISSN  0031-9171.
  19. ^ Розенберг, М .; Мерлино, Р. Л. (2013). «Дрейфовая неустойчивость в плазме положительных и отрицательных ионов». Журнал физики плазмы. 79 (5): 949–952. Bibcode:2013JPlPh..79..949R. Дои:10.1017 / S0022377813000858. ISSN  0022-3778.
  20. ^ Голдстон, Р. Дж. (1995). Введение в физику плазмы. Резерфорд, П. Х. (Пол Хардинг), 1938-. Бристоль, Великобритания: Институт физики Pub. ISBN  978-0750303255. OCLC  33079555.
  21. ^ Погуце, О. П. (1968). «Магнитная дрейфовая неустойчивость в бесстолкновительной плазме». Физика плазмы. 10 (7): 649–664. Bibcode:1968ПлФ ... 10..649П. Дои:10.1088/0032-1028/10/7/301. ISSN  0032-1028.
  22. ^ Krafft, C .; Волокитин, А. (2010). «Нелинейная веерная неустойчивость электромагнитных волн». Физика плазмы. 17 (10): 102303. Bibcode:2010PhPl ... 17j2303K. Дои:10.1063/1.3479829. ISSN  1070-664X.
  23. ^ Шукла, П. К .; Стенфло, Л. (2008-02-08). «Джинсовая неустойчивость в самогравитирующей пылевой плазме». Труды Лондонского королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 462 (2066): 403–407. Bibcode:2006RSPSA.462..403S. Дои:10.1098 / rspa.2005.1594. ISSN  1364-5021. S2CID  122754120.
  24. ^ Саркар, Сусмита; Мэйти, Сомьен; Рой, B; Хан, Маноранджан (18 января 2010 г.). «Неустойчивость Жана в дрейфующей пылевой плазме при наличии вторичной электронной эмиссии». Physica Scripta. 81 (2): 025504. Bibcode:2010ФИЗЫ ... 81b5504S. Дои:10.1088/0031-8949/81/02/025504. ISSN  0031-8949.
  25. ^ Бисселл, Дж. Дж., Риджерс, К. П. и Кингхэм, Р. Дж. "Магнитотермическая неустойчивость поля сжатия в лазерной плазме. " (2010) Письма с физическими проверками, Vol. 105,175001
  26. ^ Kim, J .; Ryu, D .; Hong, S. S .; Lee, S.M .; Франко, Дж. (2004), «Неустойчивость Паркера», Библиотека астрофизики и космической науки, Kluwer Academic Publishers, 315, стр. 315–322, Bibcode:2004АССЛ..315..315К, Дои:10.1007 / 1-4020-2620-x_65, ISBN  978-1402026195
  27. ^ Франк-Каменецкий Д. А. (1972), "Неустойчивость пинча", Плазма, Macmillan Education UK, стр. 95–96, Дои:10.1007/978-1-349-01552-8_30, ISBN  9781349015542
  28. ^ Мейерович, О. Э. (май 1986 г.). «Стабильность зажима Беннета» (PDF). Журнал экспериментальной и теоретической физики. 63 (5): 1646.
  29. ^ Голдстон, Р. Дж. (1995). Введение в физику плазмы. Резерфорд, П. Х. (Пол Хардинг), 1938-. Бристоль, Великобритания: Институт физики Pub. ISBN  978-0750303255. OCLC  33079555.
  30. ^ Бёф, Жан-Пьер; Чаудхури, Бхаскар (2013). «Вращающаяся неустойчивость в низкотемпературной намагниченной плазме». Письма с физическими проверками. 111 (15): 155005. Bibcode:2013ПхРвЛ.111о5005Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.155005. PMID  24160609.
  31. ^ Furth, Harold P .; Киллин, Джон; Розенблют, Маршалл Н. (1963). «Неустойчивости листового защемления с конечным сопротивлением». Физика жидкостей. 6 (4): 459. Bibcode:1963ФФл .... 6..459Ф. Дои:10.1063/1.1706761. ISSN  0031-9171.
  32. ^ Rowlands, G .; Dieckmann, M.E .; Шукла, П. К. (2007). «Неустойчивость плазменной филаментации в одном измерении: нелинейная эволюция». Новый журнал физики. 9 (8): 247. Bibcode:2007NJPh .... 9..247R. Дои:10.1088/1367-2630/9/8/247. ISSN  1367-2630.
  33. ^ Wesson, J: "Tokamaks", 3-е издание, стр. 115, Oxford University Press, 2004