Войти
Шар, покоящийся в долине (справа), вернется на дно, если его немного сдвинуть или потревожить, и, таким образом, он динамически устойчив. Один на вершине холма (слева) будет ускоряться от точки покоя, если его потревожить, и поэтому он динамически нестабилен. Плазма имеет множество механизмов, которые при определенных условиях позволяют ей попасть во вторую группу. Стабильность плазмы является важным фактором при изучении физики плазмы. Когда система, содержащая плазму, находится в состоянии равновесия, некоторые части плазмы могут быть возмущены небольшими пертурбативными 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 магнитогидродинамики (МГД). Теория МГД - это простейшее представление о плазме, поэтому стабильность МГД необходима для стабильных устройств, которые будут использоваться для ядерного синтеза, в частности, энергии магнитного синтеза. Однако существуют и другие типы нестабильностей, такие как нестабильности в пространстве скоростей в магнитных зеркалах и системах с пучками. Бывают и редкие случаи систем, например конфигурация с обращенным полем, предсказанная МГД как нестабильная, но наблюдаемая как стабильная, вероятно, из-за кинетических эффектов.
Нестабильность плазмы может можно разделить на две общие группы:
Плазменные нестабильности также подразделяются на различные режимы (например, применительно к пучку частиц):
| Режим. ( азимутальное волновое число) | Примечание | Описание | Радиальные режимы | Описание |
|---|---|---|---|---|
| m = 0 | Нестабильность колбасы:. отображает гармонику изменение радиуса балки с расстоянием по оси балки | n=0 | Осевая выемка | |
| n=1 | Стандартная колбаса | |||
| n = 2 | Осевая группировка | |||
| m = 1 | Извилистый, изгиб или шланг нестабильность:. представляет поперечные смещения поперечного сечения пучка без изменения формы или характеристик пучка, отличных от положения его центра масс | |||
| m = 2 | Режимы филаментации:. Рост приводит к распаду пучка на отдельные нити. | Дает эллиптическое поперечное сечение | ||
| m=3 | Дает грушевидное (грушевидное) поперечное сечение | |||
| m = 4 | Состоит из четырех переплетенных спиралей | |||
Бета - это отношение давления плазмы к магнитному полю сила.
МГД-стабильность при высоком бета-коэффициенте критически важна для компактного и экономичного магнитного термоядерного реактора. Плотность мощности термоядерного синтеза изменяется примерно как 
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 образования 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 включает понимание природы бета-предела в различных конфигурациях, включая связанные с ним термические 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 МГД, вызванные градиентами тока или давления, представляют собой окончательный рабочий предел для большинства конфигураций. Пределы длинноволновой моды излома и коротковолновой баллонной моды обычно хорошо известны, и в принципе их можно избежать.
Режимы с промежуточными длинами волн (например, n ~ 5–10 мод, встречающихся в краевой плазме токамака ) менее изучены из-за того, что расчеты устойчивости требуют больших вычислительных ресурсов. 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 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 соседней стены в токамаке, стеллараторе и других конфигурациях, но соседняя проводящая стена может значительно улучшить стабильность идеального режима перегиба в большинстве конфигураций, включая токамак., ST, перевернутое поле щипка (RFP), сферомак и, возможно, FRC. В усовершенствованных токамаках и ST стабилизация стенки критична для работы с большим. Сферомак требует стабилизации стенки, 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.
Резистивная нестабильность - проблема для всех магнитных конфигураций, поскольку начало может происходить при значениях бета, значительно ниже идеального предела. Стабильность неоклассических режимов разрыва (NTM) является ключевой проблемой для магнитных конфигураций с сильным током начальной загрузки. NTM - это метастабильный режим; в определенных плазменных конфигурациях достаточно большая деформация бутстрап-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. Режим резистивного баллонирования, аналогичный идеальному баллону, но с учетом конечного удельного сопротивления, представляет собой еще один пример резистивной нестабильности.
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, Alcator C-Mod, NSTX и MAST. Новые эксперименты со стеллараторами, такие как NCSX (предложено), будут проверять предсказание о том, что добавление спиральных катушек соответствующей конструкции может стабилизировать идеальные режимы перегиба при высоком бета-коэффициенте, а в HSX возможны испытания устойчивости к раздуванию с более низким бета-коэффициентом. Новые эксперименты ST предоставляют возможность проверить предсказания о том, что низкое соотношение сторон обеспечивает повышенную стабильность в режимах разрыва, включая неоклассические, благодаря большому стабилизирующему термину «эффект Глассера », связанному с большим током Пфирша-Шлютера. Неоклассических режимов разрыва можно избежать, минимизируя ток начальной загрузки в квазивиральных и квази-всенаправленных конфигурациях стеллараторов. Неоклассические режимы разрывов 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, квазиосесимметричная 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.
Контроль внутренней структуры плазмы позволяет более активно избегать МГД-нестабильностей. 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. Усовершенствованные диагностические измерения наряду с локализованными источниками нагрева и тока, которые теперь становятся доступными, позволят в ближайшем будущем осуществлять активное управление внутренними профилями с обратной связью. Такая работа начинается или планируется в большинстве крупных токамаков (JET, JT – 60U, DIII – D, C – Mod, и ASDEX – U ) с использованием RF нагрева и тока. 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 было 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. Эксперимент Electric Tokamak предназначен для очень большого управляемого вращения, приближающегося к альвеновским режимам, где также может влиять идеальная стабильность. Поддержание достаточного вращения плазмы и возможная роль RWM в затухании вращения являются важными вопросами, которые могут быть исследованы в этих экспериментах.
Активное управление с обратной связью при нестабильности МГД должно позволять работу за пределами «пассивной» стабильности. 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 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.
Обсуждаемые выше методы улучшения стабильности MHD являются основными средствами 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 вдувания 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.
