стабилизация неустойчивостей плазмы

СТАБИЛИЗАЦИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ ПЛАЗМЫ , удерживаемой магнитным полем, - осуществление условий, при к-рых неустойчивости, опасные для удержания плазмы, не реализуются. Проблема С. н. п. возникла в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу. Крупномасштабные МГД-неустойчивости могут полностью разрушить равновесную конфигурацию высокотемпературной плазмы, как это происходит, напр., при возникновении неустойчивости срыва в токамаке. Вместе с условием равновесия они устанавливают верх. предел допустимого отношения ср. давления плазмы к давлению внешнего удерживающего магн. поля:. Мелкомасштабные неустойчивости, не разрушающие равновесия, могут приводить к аномально большим потерям частиц и энергии из плазмы, к появлению ускоренных электронов, к-рые могут повредить стенки вакуумной камеры, и т. д. Поэтому С. н. п.- одно из гл. условий создания термоядерного реактора с магн. удержанием.

Важнейший метод С. н. п.- выбор такой конфигурации удерживающего магн. поля, чтобы самой его геом. формой сдержать развитие неустойчивостей, стабилизировать их на нач. стадии развития; наиб. часто для этого используются ш и р (от англ. shear - сдвиг) и магнитная яма.

Стабилизация тиром. Шир в тороидальных системах характеризует перекрещенность силовых линий, изменение ср. шага винтообразных магн. силовых линий при переходе в радиальном направлении от одной магн. поверхности к другой и определяется ф-лой

Здесь L - длина тора, равная для круговых систем , R - радиус тора, а - ср. радиус сечения нек-рой магн. поверхности в торе, - вращательное преобразование, определяющее число оборотов магн. силовых линий по малому обходу тора, приходящееся на один обход вдоль тора, - безразмерный параметр, характеризующий шаг силовой линии. В потоковых координатах а, (см. Тороидальные системы)магн. силовые линии являются прямыми и имеют разный наклон на поверхностях с широм s 0 (рис. 1). Возникающая при развитии неустойчивести конвекция плазмы происходит вследствие высокой электропроводности плазмы целыми магн. трубками. Но они оказываются сцепленными (перекрещенными) при s 0, что и сдерживает развитие неустойчивости. В результате, напр., необходимое условие устойчивости плазмы в торе круглого сечения при (критерий Сайдема) имеет вид:

Рис. 1. Магнитное поле с широм в гороидальных системах. Изображены три тороидальные магнитные поверхности а= const. В координатах все они имеют форму квадрата со сторонами. Изменение наклона магнитных силовых линий означает наличие шира, не равного нулю.

Шир не препятствует, однако, развитию медленных диссипативных неустойчивостей, для к-рых не существует топологич. запрета, связанного с зацеплением магн. силовых линий. Более универсальным средством С. н. п. является магн. яма.

Стабилизация магнитной ямой. Неустойчивости, вызываемые градиентом давления, связаны с выпуклостью магн. силовых линий. В бестоковых системах (открытых ловушках, стеллараторах) это соответствует наличию магн. бугра (максимума B² на оси системы, рис. 2, а). Для стабилизации этих неустойчивостей в открытых магн. ловушках магн. поле можно создать нарастающим не к центру, а от центра во всех направлениях (абс. минимум В в центре) путём пропускания в продольных проводниках, окружающих ловушку (т. н. стержни Иоффе), токов чередующегося направления. В случае четырёх стержней (к-рые могут быть объединены с катушками продольного магн. поля в единственную бейсбольную обмотку; рис. 2, в) поперечное магн. поле создаёт систему с вогнутыми магн. силовыми линиями, т. е. с магн. ямой.

Стабилизация плазмы возможна также средним минимумом В, или средней магн. ямой, при знакопеременной кривизне магн. силовых линий, т. к. из-за высокой электропроводности плазмы стабилизирующее влияние вогнутых участков силовых линий распространяется на всю магн. трубку. Это позволяет сделать плазму устойчивой в осесимметричной открытой ловушке, а также и в тороидальных системах, используя вогнутость магн. силовых линий с большим шагом h ~ L на внутр. стороне тора. Для создания ср. магн. ямы нужно сместить магн. ось с помощью поперечного магн. поля к внеш. обводу тора в область ослабленной напряжённости тороидального магн. поля (рис. 3). В токамаке это происходит автоматически, в результате во втором слагаемом в критерии (2) появляется множитель (1- q²). В нек-рых условиях для углубления магн. ямы в тороидальных системах достаточно смещения магн. оси из-за наличия градиента давления плазмы (эффект самостабилизации плазмы). При этом область устойчивости с повыш. давлением может быть отделена от области устойчивости с низким давлением плазмы (2-я и 1-я зоны устойчивости).

Рис. 2. Стабилизация магнитной ямой в открытых ловушках: о - выпуклые магнитные силовые линии и магнитный бугор в осесимметричной ловушке с магнитными пробками; б - открытая магнитная ловушка с вогнутыми магнитными силовыми линиями и магнитной ямой; в - схема обмотки для создания ловушки с магнитной ямой, в которой стержни Иоффе объединены в единую обмотку бейсбольного типа.

Рис. 3. Образование средней магнитной ямы в тороидальных системах с q > 1: на наружном обводе тора (а) магнитная силовая линия выпукла (участок 1), на внутреннем - вогнута (участок 2). Вклад вогнутого участка тем больше, чем больше магнитная ось смещена к внешней стороне тора. Этому способствует создание D-образной (б) или бобообразной (в) усреднённых форм поперечного сечения магнитной поверхности.

Кроме использования геом. свойств магн. поля для С. н. п. широко применяются активные методы воздействия на плазму. К ним относятся: 1) поддержание благоприятных для устойчивости плазмы профилей тока, темп-ры, давления с помощью локального подогрева плазмы, напр. при резонансном поглощении ВЧ-волн, путём локальной генерации тока СВЧ-методами, поддува газа на край плазмы, инжекции крупинок вещества, из к-рого создаётся плазма, в центр плазменного шнура и т. п.; 2) подавление неустойчивостей системой автоматич. управления (метод обратных связей); 3) управление ф-цией распределения заряж. частиц по скоростям, напр. варьированием ВЧ-методов нагрева, при к-рых энергия вкладывается преим. в продольную или поперечную степень свободы частиц, либо непрерывной инжекцией пучка ускоренных атомов, создающих после ионизации их в плазме популяцию частиц с определ. распределением по скоростям. Такое воздействие на ф-цию распределения позволяет осуществлять контроль за нек-рыми кинетич. неустойчивостями.

При нек-рых условиях С. н. п. может осуществляться самопроизвольно как переход в энергетически более выгодное состояние, когда вследствие развития неустойчивости происходит подстройка процессов переноса частиц и энергии таким образом, чтобы реализовывались устойчивые распределения тока, темп-ры и т. д. Такая самоорганизация плазмы наиб. отчётливо проявляется в токовых системах - токамаках и пинчах с обращённым магн. полем.

Лит.: Арцимович Л. А.. Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979; Основы физики плазмы, под ред. А. А. Галеева, Р. Судана, т. 1, М., 1983; К а д о м ц е в Б. Б., Коллективные явления в плазме, М., 1988. В. Д. Шафранов.

   <<      Предметный указатель      >>