Stabilność plazmy

Piłka spoczywająca w dolinie ( po prawej ) powróci na dno, jeśli zostanie lekko poruszona lub zakłócona , dzięki czemu jest stabilna dynamicznie . Ten znajdujący się na szczycie wzgórza ( po lewej ) będzie przyspieszał od punktu spoczynku, jeśli zostanie poruszony, przez co jest niestabilny dynamicznie . Plazmy posiadają wiele mechanizmów, które sprawiają, że pod pewnymi warunkami zaliczają się do drugiej grupy.

Stabilność plazmy jest ważnym czynnikiem w badaniach fizyki plazmy . Kiedy układ zawierający plazmę znajduje się w równowadze , możliwe jest, że pewne części plazmy zostaną zakłócone przez działające na nie niewielkie siły perturbacyjne. Stabilność systemu określa, czy zakłócenia będą rosły, oscylowały, czy też zostaną stłumione.

W wielu przypadkach plazmę można traktować jak płyn, a jej stabilność analizować za pomocą magnetohydrodynamiki (MHD). Teoria MHD jest najprostszą reprezentacją plazmy, więc stabilność MHD jest koniecznością dla stabilnych urządzeń do stosowania w syntezie jądrowej , w szczególności w energii syntezy magnetycznej . Istnieją jednak inne rodzaje niestabilności , takie jak niestabilności w przestrzeni prędkości w zwierciadłach magnetycznych i układach z wiązkami. Zdarzają się także rzadkie przypadki systemów, np. konfiguracja z odwróconym polem , przewidywane przez MHD jako niestabilne, ale które zaobserwowano jako stabilne, prawdopodobnie ze względu na efekty kinetyczne.

Niestabilność plazmy

Niestabilności plazmy można podzielić na dwie ogólne grupy:

  1. niestabilności hydrodynamiczne
  2. niestabilności kinetyczne.

Niestabilności plazmy są również podzielone na różne mody (np. w odniesieniu do wiązki cząstek):


Tryb (liczba fali azymutalnej) 		Notatka Opis Tryby promieniowe Opis
m=0
kiełbasy : wyświetla harmoniczne zmiany promienia wiązki wraz z odległością wzdłuż osi wiązki 		n=0 Wydrążenie osiowe
n=1 Standardowa kiełbasa
n=2 Grupowanie osiowe
m=1
falista , załamania lub węża : przedstawia poprzeczne przemieszczenia przekroju poprzecznego belki bez zmiany kształtu lub charakterystyki belki innej niż położenie jej środka masy
m=2
Tryby włókienka: wzrost prowadzi do rozpadu wiązki na oddzielne włókna. 		Daje przekrój eliptyczny
m=3 Daje przekrój gruszkowaty (w kształcie gruszki).
m=4 Składa się z czterech splecionych helis

Lista niestabilności plazmy

Niestabilność MHD

Beta to stosunek ciśnienia plazmy do natężenia pola magnetycznego .

Stabilność MHD przy wysokim współczynniku beta ma kluczowe znaczenie dla kompaktowego i ekonomicznego reaktora termojądrowego. Gęstość się mniej więcej jako przy stałym polu lub jako początkowego w konfiguracjach z zewnętrznym napędzany prąd plazmowy. (Tutaj to znormalizowana beta.) W wielu przypadkach stabilność MHD stanowi główne ograniczenie beta, a tym samym gęstości mocy termojądrowej. Stabilność MHD jest również ściśle powiązana z kwestiami tworzenia i utrzymywania pewnych konfiguracji magnetycznych, utrzymywania energii i pracy w stanie ustalonym. Krytyczne kwestie obejmują zrozumienie i rozszerzenie granic stabilności poprzez zastosowanie różnych konfiguracji plazmy oraz opracowanie aktywnych środków zapewniających niezawodne działanie w pobliżu tych granic. Potrzebne są dokładne możliwości predykcyjne, co będzie wymagało dodania nowej fizyki do istniejących modeli MHD. Chociaż istnieje szeroki zakres konfiguracji magnetycznych, podstawowa fizyka MHD jest wspólna dla wszystkich. Zrozumienie stabilności MHD uzyskane w jednej konfiguracji może przynieść korzyści innym, poprzez weryfikację teorii analitycznych, zapewnienie punktów odniesienia dla predykcyjnych kodów stabilności MHD i postęp w rozwoju technik aktywnej kontroli.

Najbardziej podstawową i krytyczną kwestią stabilności fuzji magnetycznej jest po prostu to, że niestabilności MHD często ograniczają wydajność przy wysokim współczynniku beta. W większości przypadków istotnymi niestabilnościami są mody globalne o długich falach, ze względu na ich zdolność do powodowania poważnej degradacji utrzymywania energii lub zakończenia plazmy. Niektóre ważne przykłady, które są wspólne dla wielu konfiguracji magnetycznych, to idealne tryby załamania, tryby ściany rezystancyjnej i neoklasyczne tryby rozdzierania. Możliwą konsekwencją naruszenia granic stabilności jest zakłócenie, czyli nagła utrata energii cieplnej, po której często następuje zakończenie wyładowania. Kluczową kwestią jest zatem zrozumienie natury limitu beta w różnych konfiguracjach, w tym związanych z nim naprężeń termicznych i magnetycznych, oraz znalezienie sposobów uniknięcia ograniczeń lub złagodzenia konsekwencji. Badany jest szeroki zakres podejść do zapobiegania takim niestabilnościom, w tym optymalizacja konfiguracji plazmy i jej urządzenia ograniczającego, kontrola wewnętrznej struktury plazmy i aktywna kontrola niestabilności MHD.

Idealne niestabilności

Idealne niestabilności MHD spowodowane gradientami prądu lub ciśnienia stanowią ostateczny limit operacyjny dla większości konfiguracji. Ograniczenia trybu załamania na długich falach i trybu balonowania na krótkich falach są ogólnie dobrze znane i w zasadzie można ich uniknąć.

Mody o średniej długości fali (na przykład n ~ 5–10 modów spotykanych w plazmie brzegowej tokamaka ) są mniej poznane ze względu na intensywny obliczeniowo charakter obliczeń stabilności. Obszerna baza danych limitów beta dla tokamaków jest zgodna z idealnymi granicami stabilności MHD, co daje zgodność w granicach około 10% w wersji beta w przypadkach, gdy dokładnie mierzone są wewnętrzne profile plazmy. Ta dobra zgodność zapewnia pewność obliczeń idealnej stabilności dla innych konfiguracji oraz projektowania prototypowych reaktorów termojądrowych.

Tryby ściany rezystancyjnej

W plazmie powstają tryby ściany rezystancyjnej (RWM), które dla zapewnienia stabilności wymagają obecności doskonale przewodzącej ściany. Stabilność RWM jest kluczową kwestią w przypadku wielu konfiguracji magnetycznych. Umiarkowane wartości beta są możliwe bez pobliskiej ściany w tokamaku , stellaratorze i innych konfiguracjach, ale pobliska ściana przewodząca może znacznie poprawić idealną stabilność w trybie załamania w większości konfiguracji, w tym tokamaka, ST , odwróconego szczypania pola (RFP), sferomaka i prawdopodobnie FRC. W zaawansowanych tokamakach i ST stabilizacja ścian ma kluczowe znaczenie dla pracy z dużą frakcją bootstrapu. Sferomak wymaga stabilizacji ściany, aby uniknąć trybów pochylenia i przesunięcia o niskim m, n i ewentualnie trybów zginania. Jednak w obecności nieidealnej ściany wolno rosnący RWM jest niestabilny. Tryb ściany oporowej był od dawna problemem w zapytaniu ofertowym, a ostatnio zaobserwowano go w eksperymentach z tokamakiem. Postęp w zrozumieniu fizyki RWM i opracowanie środków do jego stabilizacji można bezpośrednio zastosować do wszystkich konfiguracji magnetycznych. Ściśle powiązanym zagadnieniem jest zrozumienie rotacji plazmy, jej źródeł i pochłaniaczy oraz jej roli w stabilizacji RWM.

Niestabilności rezystancyjne

Niestabilności rezystancyjne są problemem dla wszystkich konfiguracji magnetycznych, ponieważ początek może wystąpić przy wartościach beta znacznie poniżej idealnej granicy. Stabilność neoklasycznych trybów rozdzierania (NTM) jest kluczową kwestią w przypadku konfiguracji magnetycznych z silnym prądem ładowania początkowego . NTM jest trybem metastabilnym; w pewnych konfiguracjach plazmy wystarczająco duże odkształcenie prądu ładowania początkowego wytwarzanego przez „wyspę nasion” może przyczynić się do wzrostu wyspy. NTM jest już ważnym czynnikiem ograniczającym wydajność w wielu eksperymentach z tokamakiem, prowadzącym do pogorszenia zamknięcia lub zakłóceń. Chociaż podstawowy mechanizm jest dobrze ugruntowany, zdolność przewidywania wystąpienia w obecnych i przyszłych urządzeniach wymaga lepszego zrozumienia mechanizmów tłumiących, które określają wielkość wyspy progowej, oraz sprzężenia modów, dzięki któremu inne niestabilności (takie jak zęby piły w tokamakach) mogą wygenerować wyspy nasion. Tryb balonowania rezystancyjnego , podobny do balonowania idealnego, ale z uwzględnieniem skończonej rezystywności, stanowi kolejny przykład niestabilności rezystancyjnej.

Możliwości poprawy stabilności MHD

Konfiguracja

Konfiguracja plazmy i jej urządzenia ograniczającego stwarza możliwość znacznej poprawy stabilności MHD. Korzyści z kształtowania wyładowań i niskiego współczynnika kształtu dla idealnej stabilności MHD zostały wyraźnie wykazane w tokamakach i ST i będą nadal badane w eksperymentach takich jak DIII-D , Alcator C-Mod , NSTX i MAST . Nowe eksperymenty z gwiazdami, takie jak NCSX (proponowane) przetestuje przewidywanie, że dodanie odpowiednio zaprojektowanych cewek śrubowych może ustabilizować idealne tryby załamania przy wysokim współczynniku beta, a testy stabilności balonowania przy niższym beta są możliwe w HSX. Nowe eksperymenty ST dają możliwość przetestowania przewidywań, że niski współczynnik kształtu zapewnia lepszą stabilność trybów rozdzierania, w tym neoklasycznego, dzięki dużemu stabilizującemu „ efektowi Glassera ” ” termin związany z dużym prądem Pfirscha-Schlütera. Neoklasycznych trybów rozrywania można uniknąć, minimalizując prąd ładowania początkowego w konfiguracjach quasi-helikalnych i quasi-omnigenicznych gwiazd. Neoklasyczne mody rozrywania są również stabilizowane za pomocą odpowiednich względnych znaków prądu ładowania początkowego i ścinania magnetycznego; prognozę tę potwierdza brak NTM w centralnych obszarach tokamaków z ujemnym ścinaniem. Konfiguracje stellaratorów, takie jak proponowany NCSX, quasi-osiowosymetryczny projekt stellaratora, można tworzyć przy ujemnym ścinaniu magnetycznym i dodatnim prądzie ładowania, aby osiągnąć stabilność NTM. Stabilizację w trybie załamania za pomocą ściany oporowej wykazano w RFP i tokamakach, ale zostanie ona zbadana w innych konfiguracjach, w tym ST (NSTX) i sferomakach (SSPX). Nowa propozycja stabilizacji trybów ściany rezystancyjnej za pomocą płynącej ściany z płynnego litu wymaga dalszej oceny.

Struktura wewnętrzna

Kontrola wewnętrznej struktury plazmy pozwala na bardziej aktywne unikanie niestabilności MHD. Na przykład utrzymanie odpowiedniego profilu gęstości prądu może pomóc w utrzymaniu stabilności trybów rozrywania. Optymalizacja w otwartej pętli profili ciśnienia i gęstości prądu z zewnętrznymi źródłami ogrzewania i napędu prądowego jest rutynowo stosowana w wielu urządzeniach. Udoskonalone pomiary diagnostyczne wraz z dostępnymi obecnie zlokalizowanymi źródłami ogrzewania i napędu prądowego umożliwią w najbliższej przyszłości aktywną kontrolę sprzężenia zwrotnego profili wewnętrznych. Prace takie rozpoczynają się lub są planowane w większości dużych tokamaków ( JET , JT–60U , DIII–D , C–Mod i ASDEX–U ) przy użyciu RF ogrzewanie i napęd prądowy. Analiza danych profilu w czasie rzeczywistym, takich jak pomiary profilu prądu MSE i identyfikacja granic stabilności w czasie rzeczywistym, to istotne elementy kontroli profilu. Silna rotacja plazmy może stabilizować mody rezystancyjne, jak wykazano w eksperymentach z tokamakiem, a przewiduje się, że ścinanie rotacyjne również stabilizuje mody rezystancyjne. Możliwości sprawdzenia tych przewidywań dają konfiguracje takie jak ST, sferomak i FRC, które charakteryzują się dużą naturalną rotacją diamagnetyczną, a także tokamaki z rotacją napędzaną wtryskiem wiązki neutralnej. Elektryczny tokamak eksperyment ma mieć bardzo dużą rotację napędzaną, zbliżającą się do reżimów Alfvénica , na które może mieć również wpływ idealna stabilność. Utrzymanie wystarczającej rotacji plazmy i możliwa rola RWM w tłumieniu rotacji to ważne kwestie, które można zbadać w tych eksperymentach.

Kontrola informacji zwrotnej

Aktywna kontrola ze sprzężeniem zwrotnym niestabilności MHD powinna umożliwiać pracę poza „pasywnymi” granicami stabilności. Przewiduje się, że zlokalizowany napęd prądu RF na racjonalnej powierzchni zredukuje lub wyeliminuje neoklasyczne wyspy trybu łzawienia. Rozpoczęto eksperymenty w ASDEX-U i COMPASS-D z obiecującymi wynikami i planuje się je na przyszły rok [ potrzebne wyjaśnienia ] w DIII–D. Rutynowe stosowanie takiej techniki w uogólnionych warunkach plazmowych będzie wymagało identyfikacji w czasie rzeczywistym modu niestabilnego i jego promieniowego położenia. Jeśli nie można utrzymać rotacji plazmy potrzebnej do stabilizacji trybu ściany rezystancyjnej, wymagana będzie stabilizacja ze sprzężeniem zwrotnym za pomocą cewek zewnętrznych. Rozpoczęto eksperymenty ze sprzężeniem zwrotnym w DIII – D i HBT-EP i należy zbadać kontrolę sprzężenia zwrotnego w przypadku zapytania ofertowego i innych konfiguracji. Zrozumienie fizyki tych technik aktywnego sterowania będzie bezpośrednio stosowane pomiędzy konfiguracjami.

Łagodzenie zakłóceń

Omówione powyżej techniki poprawy stabilności MHD są głównymi sposobami uniknięcia zakłóceń. Jeżeli jednak te techniki nie zapobiegną niestabilności, skutki zakłócenia można złagodzić różnymi technikami. Eksperymenty na JT-60U wykazały redukcję naprężeń elektromagnetycznych poprzez pracę w punkcie neutralnym zapewniającym stabilność pionową. W eksperymentach z tokamakiem wykazano wyprzedzające usuwanie energii plazmy poprzez wstrzyknięcie dużego obłoku gazu lub pastylki zanieczyszczeń, a trwające eksperymenty w C–Mod, JT–60U, ASDEX–U i DIII–D poprawią zrozumienie i zdolność przewidywania. Kolejną proponowaną techniką, która może być wymagana w przypadku większych urządzeń, są kriogeniczne strumienie ciekłego helu. Techniki łagodzenia opracowane dla tokamaków będą miały bezpośrednie zastosowanie w innych konfiguracjach.

Zobacz też

Źródło: „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_stability&oldid=1117888232 ”