Стабильность плазмы

Шар, находящийся в углублении ( справа ), вернется на дно, если его слегка сдвинуть или поколебать , и, таким образом, он динамически стабилен . Один из них, находящийся на вершине холма ( слева ), будет ускоряться от точки покоя, если его поколебать, и поэтому он динамически нестабилен . Плазма имеет множество механизмов, благодаря которым при определенных условиях она попадает во вторую группу.

В физике плазмы устойчивость плазмы касается свойств устойчивости плазмы в равновесии и ее поведения при небольших возмущениях. Стабильность системы определяет, будут ли возмущения расти, колебаться или затухать . Это важный момент 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). Стабильность МГД необходима для стабильной работы термоядерных устройств с магнитным удержанием и накладывает определенные эксплуатационные ограничения. Бета-предел, например, устанавливает максимально достижимую бета-версию плазмы в токамаках .

С другой стороны, мелкомасштабные нестабильности плазмы (обычно описываемые кинетической теорией ), такие как неустойчивость дрейфовых волн , считаются движущим механизмом турбулентного транспорта в токамаках, что приводит к высокой скорости переноса частиц и энергии через удерживающие магнитные поля. Нестабильность плазмы, описываемая кинетической теорией, может содержать такие аспекты, как эффекты конечного ларморовского радиуса (FLR) и резонансные взаимодействия волн и частиц, которые не отражаются в моделях жидкости, таких как МГД.

Плазменные нестабильности

Плазменные неустойчивости можно разделить на две общие группы:

1. гидродинамические неустойчивости
2. кинетические нестабильности.

Нестабильности плазмы также подразделяются на различные виды (например, в отношении пучка частиц):

Режим (азимутальное волновое число)	Примечание	Описание	Радиальные режимы	Описание
м=0		Нестабильность колбасы : отображает гармонические изменения радиуса луча в зависимости от расстояния вдоль оси луча	п=0	Осевое выдолбление
			п=1	Стандартная колбаса
			п=2	Осевое группирование
м=1		Извилистость , перекручивание или шланга : нестабильность представляет собой поперечные перемещения поперечного сечения балки без изменения формы или характеристик балки, кроме положения ее центра масс.
м=2	Режимы филаментации: рост приводит к распаду пучка на отдельные нити.	Дает эллиптическое сечение
м=3		Имеет грушевидное (грушевидное) поперечное сечение.
м=4		Состоит из четырех переплетенных спиралей.

Список нестабильностей плазмы

• нестабильность Бунемана,
  • нестабильность Фарли – Бунемана ,
  • нестабильность Джинса – Бунемана,
  • Релятивистская неустойчивость Бунемана,
• черенковская нестабильность,
• нестабильность коалесценции,
  • Нелинейная нестабильность коалесценции
• Нестабильность желоба,
• Коллапс нестабильность,
• Циклотронные неустойчивости, в том числе:
  • Альвеновская циклотронная неустойчивость
  • Циклотронная мазерная неустойчивость,
  • Электронная циклотронная неустойчивость
  • Электростатический ионный циклотрон Нестабильность
  • Ионно-циклотронная нестабильность
  • Магнитоакустическая циклотронная неустойчивость
  • Протонно-циклотронная неустойчивость
  • Нерезонансная циклотронная неустойчивость лучевого типа
  • Релятивистская ионно-циклотронная неустойчивость
  • Циклотронная неустойчивость Уистлера
• Диокотронная неустойчивость , (аналогично неустойчивости жидкости Кельвина-Гельмгольца ).
• Дизруптивная неустойчивость (в токамаках )
• Двойная эмиссионная нестабильность,
  • Краевые локализованные режимы ,
  • Взрывная неустойчивость (или баллонная неустойчивость ),
• Двойная плазменно-резонансная неустойчивость,
• Дрейфовая нестабильность (она же дрейфово-волновая неустойчивость, или всеобщая нестабильность )
  • Нижняя гибридная (дрейфовая) неустойчивость (в механизме критической скорости ионизации )
  • Магнитно-дрейфовая неустойчивость,
  • Нестабильность медленного дрейфа
• Электротермическая нестабильность
• Нестабильность вентилятора,
• Неустойчивость пожарного шланга (также известная как нестабильность шланга), не путать с одноименной нестабильностью пожарного шланга в галактической динамике.
• нестабильность рыбы,
• Мазерная неустойчивость свободных электронов,
• гиротронная нестабильность,
• Спиральная (Helix) нестабильность,
• Нестабильность джинсов ,
• Нестабильность магнитной плавучести
  • Неустойчивость обмена (она же нестабильность флейты),
  • Нестабильность Паркера (также известная как ондулярная нестабильность или магнитная нестабильность Рэлея – Тейлора)
  • Смешанная неустойчивость (она же квазипеременная неустойчивость)
• Магниторотационная неустойчивость (в аккреционных дисках )
• Магнитотермическая нестабильность (Лазер-плазма),
• Модуляционная нестабильность
• неабелева неустойчивость,
• Парная нестабильность (в сверхновых)
• Нестабильность Ператта (сложенные тороиды )
• Пинч-неустойчивость (также известная как пинч-неустойчивость Беннета),
  • Нестабильность колбасы (m=0)
  • Кинковая нестабильность (m=1)
    • Неустойчивость спирального излома (также известная как спиральная нестабильность)
• Неустойчивость Рэлея – Тейлора (RTI, также известная как гравитационная неустойчивость)
• Вращающаяся неустойчивость,
• Нестабильность режима тиринга (или резистивная нестабильность тиринга). )
• Двухпотоковая неустойчивость (она же пучково-плазменная неустойчивость, встречная неустойчивость)
  • Акустическая нестабильность пучка
  • Нестабильность «шишка на хвосте»
  • Нестабильность ионного пучка
  • Слабая нестабильность пучка
• нестабильность Вейбеля
  • Хромо-Вейбелева нестабильность (т.е. неабелева нестабильность)
  • Филаментационная неустойчивость (она же неустойчивость пучка-Вейбеля),

МГД-нестабильности

Бета — это отношение давления плазмы к напряженности магнитного поля . $$\beta ={\frac {p}{p_{\text{mag}}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$$

Стабильность МГД при высоком бета-излучении имеет решающее значение для компактного и экономичного термоядерного реактора. Плотность мощности термоядерного синтеза варьируется примерно как $\beta ^{2}$ в постоянном магнитном поле, или как $\beta _{N}^{4}$ при постоянной доле бутстрепа в конфигурациях с внешним возбуждением плазменного тока. (Здесь $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ – это нормализованная бета.) Во многих случаях стабильность МГД представляет собой основное ограничение бета и, следовательно, плотности термоядерной энергии. Стабильность МГД также тесно связана с вопросами создания и поддержания определенных магнитных конфигураций, удержания энергии и установившейся работы. Критические вопросы включают понимание и расширение пределов устойчивости за счет использованияразнообразие конфигураций плазмы и разработка активных средств для надежной работы вблизи этих пределов. Необходимы точные возможности прогнозирования, что потребует добавления новой физики к существующим МГД-моделям. Хотя существует широкий спектр магнитных конфигураций, лежащая в основе МГД физика является общей для всех. Понимание стабильности МГД, полученное в одной конфигурации, может принести пользу другим путем проверки аналитических теорий, предоставления эталонов для кодов прогнозирующей стабильности МГД и продвижения разработки методов активного управления.

Самая фундаментальная и критическая проблема стабильности магнитного синтеза заключается в том, что МГД-нестабильность часто ограничивает производительность при высоких бета-коэффициентах. В большинстве случаев важными нестабильностями являются длинноволновые глобальные моды из-за их способности вызывать серьезное ухудшение удержания энергии или прекращение плазмы. Некоторыми важными примерами, общими для многих магнитных конфигураций, являются идеальные режимы излома, режимы резистивной стенки и неоклассические режимы тиринга. Возможным последствием нарушения границ устойчивости является срыв, внезапная потеря тепловой энергии, часто сопровождающаяся прекращением разряда. Таким образом, ключевой вопрос включает понимание природы бета-предела в различных конфигурациях, включая связанные с ним тепловые и магнитные напряжения, и поиск способов избежать ограничений или смягчить последствия. Исследуется широкий спектр подходов к предотвращению таких неустойчивостей, включая оптимизацию конфигурации плазмы и устройства ее удержания, управление внутренней структурой плазмы и активный контроль МГД-неустойчивостей.

Идеальные нестабильности

Идеальная МГД-нестабильность, вызванная градиентами тока или давления, представляет собой окончательный эксплуатационный предел для большинства конфигураций. Ограничения длинноволнового режима излома и коротковолнового баллонного режима в целом хорошо понятны, и их в принципе можно избежать.

Моды промежуточной длины волны (например, n ~ 5–10 мод, встречающихся в краевой плазме токамака ) менее хорошо изучены из-за трудоемкого характера расчетов устойчивости. Обширная база данных бета-пределов для токамаков соответствует идеальным пределам стабильности МГД, обеспечивая согласие с точностью до 10% в бета-версии для случаев, когда внутренние профили плазмы точно измерены. Такое хорошее согласие обеспечивает уверенность в расчетах идеальной стабильности для других конфигураций и в конструкции прототипов термоядерных реакторов.

Режимы резистивной стены

Моды резистивной стенки (RWM) развиваются в плазме, для устойчивости которой требуется наличие идеально проводящей стенки. Стабильность RWM является ключевым вопросом для многих магнитных конфигураций. Умеренные значения бета возможны без близлежащей стенки в токамаке , стеллараторе и других конфигурациях, но близлежащая проводящая стенка может значительно улучшить стабильность идеального кинкового режима в большинстве конфигураций, включая токамак, ST , пинч с обращенным полем (RFP), сферомак , и, возможно, FRC. В усовершенствованных токамаках и ST стабилизация стенок имеет решающее значение для работы с большой долей бутстрепа . Сферомаку требуется стабилизация стенок, чтобы избежать режимов низкого m, n наклона и сдвига, а также, возможно, режимов изгиба. Однако при наличии неидеальной стенки медленно растущая ОСО неустойчива. Мода резистивной стенки уже давно является проблемой для RFP, а совсем недавно она 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 с этим вопрос заключается в понимании вращения плазмы, ее источников и стоков, а также ее роли в стабилизации RWM.

Резистивные нестабильности

Резистивная нестабильность является проблемой для всех магнитных конфигураций, поскольку ее возникновение может произойти при значениях бета, значительно ниже идеального предела. Стабильность неоклассических тиринг-мод (NTM) является ключевым вопросом для магнитных конфигураций с сильным бутстреп-током . NTM — это метастабильный режим; в определенных плазменных конфигурациях росту острова может способствовать достаточно большая деформация бутстреп-тока, создаваемого «затравочным островом». NTM уже является важным фактором, ограничивающим производительность во многих экспериментах на токамаке, что приводит к ухудшению локализации или разрушению. Хотя основной механизм хорошо известен, возможность предсказать возникновение в нынешних и будущих устройствах требует лучшего понимания механизмов затухания, которые определяют размер порогового острова, а также связи мод, посредством которой могут возникать другие нестабильности (например, пилообразная форма в токамаках). создавать зародышевые острова. Режим резистивного раздувания , аналогичный идеальному раздуванию, но с учетом конечного удельного сопротивления, представляет собой еще один пример резистивной нестабильности.

Возможности повышения стабильности МГД

Конфигурация

Конфигурация плазмы и устройства ее удержания представляют собойвозможность надежно улучшить стабильность МГД. Преимущества формы разряда и малого аспектного соотношения для идеальной стабильности МГД были четко продемонстрированы в токамаках и ST и будут продолжать исследоваться в таких экспериментах, как DIII-D , Alcator C-Mod , NSTX и MAST . Новые эксперименты на стеллараторах, такие как NCSX (предлагается), проверят предсказание о том, что добавление спиральных катушек соответствующей конструкции может стабилизировать идеальные режимы излома при высоких и низких бета-тестах.раздувания стабильности возможны в HSX. Новые эксперименты ST дают возможность проверить предсказания о том, что низкое соотношение сторон обеспечивает улучшенную устойчивость к тиринг-модам, включая неоклассические, благодаря большому стабилизирующему члену « эффекта Глассера », связанному с большим током Пфирша-Шлютера. Неоклассических тиринг-мод можно избежать, минимизировав бутстреп-ток в квазиспиральных и квазивсеместных конфигурациях стеллараторов. Неоклассические тиринг-моды также стабилизируются соответствующими относительными знаками бутстреп-тока и магнитного сдвига; это предсказание подтверждается отсутствием НТМ в центральных областях отрицательного сдвига токамаков. Конфигурации стеллараторов, такие как предлагаемый NCSX, квазиосесимметричная конструкция стелларатора, могут быть созданы с отрицательным магнитным сдвигом и положительным бутстреп-током для достижения стабильности NTM. Стабилизация кинковой моды с помощью резистивной стенки 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 с помощью проточной стенки из жидкого лития 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 режимов разрыва. Оптимизация разомкнутого контура профилей давления и плотности тока с помощью внешних источников нагрева и возбуждения тока обычно используется во многих устройствах. Улучшенные диагностические измерения наряду с локализованными источниками нагрева и возбуждения тока, которые теперь становятся доступными, позволят в ближайшем будущем активно контролировать внутренние профили с обратной связью.Такая работа начинается или планируется в большинстве крупных токамаков ( JET , JT-60U , DIII-D , C-Mod и ASDEX-U ) с использованием радиочастотного нагрева и управления током. Анализ данных профиля в реальном времени, такой как измерения текущего профиля MSE и выявление границ устойчивости в реальном времени, являются важными компонентами управления профилем. Сильное вращение плазмы может стабилизировать резистивные пристеночные моды, как было продемонстрировано в экспериментах на токамаке, а также прогнозируется, что вращательный сдвиг стабилизирует резистивные моды. Возможности проверить эти предсказания предоставляют такие конфигурации, как ST, сферомак и FRC, которые имеют большое естественное диамагнитное вращение, а также токамаки с вращением, приводимым в действие инжектором нейтрального пучка. Эксперимент с электрическим токамаком предполагает очень большое вращение, приближающееся к альфвеновским режимам, на которые также может влиять идеальная стабильность. Поддержание достаточного вращения плазмы и возможная роль RWM в затухании вращения являются важными вопросами, которые можно исследовать в этих экспериментах.

Контроль обратной связи

Активное управление МГД-нестабильностями с обратной связью должно позволить работать за пределами «пассивных» пределов устойчивости. Прогнозируется, что локализованный поток радиочастотного тока на рациональной поверхности уменьшит или устранит островки неоклассической тиринг-моды. Эксперименты с ASDEX-U и COMPASS-D начались с многообещающими результатами и запланированы на следующий год. в DIII – D. Обычное использование такого метода в условиях обобщенной плазмы потребует идентификации нестабильной моды в реальном времени и ее радиального местоположения. Если вращение плазмы, необходимое для стабилизации режима резистивной стенки, не может быть поддержано, потребуется стабилизация обратной связи с помощью внешних катушек. Эксперименты с обратной связью начались в DIII–D и HBT-EP, и следует изучить управление обратной связью для RFP и других конфигураций. Понимание физики этих методов активного управления будет напрямую применимо между конфигурациями.

Устранение сбоев

Обсужденные выше методы повышения стабильности МГД являются основным средством предотвращения сбоев. Однако в том случае, если эти методы не предотвращают нестабильность, последствия сбоя можно смягчить с помощью различных методов. Эксперименты на JT-60U продемонстрировали снижение электромагнитных напряжений за счет работы в нейтральной точке для обеспечения вертикальной устойчивости. Превентивное удаление энергии плазмы путем введения большого газового потока или таблетки примеси было продемонстрировано в экспериментах на токамаке, а текущие эксперименты в C-Mod, JT-60U, ASDEX-U и DIII-D улучшат понимание. и предсказательная способность. Криогенные струи жидкого гелия — еще один предлагаемый метод, который может потребоваться для более крупных устройств. Методы смягчения последствий, разработанные для токамаков, будут напрямую применимы и к другим конфигурациям.

См. также

• Список гидродинамических неустойчивостей, названных в честь людей