В физике плазмы устойчивость плазмы касается свойств устойчивости плазмы в равновесии и ее поведения при малых возмущениях. Устойчивость системы определяет, будут ли возмущения расти, колебаться или затухать . Это важное соображение 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). МГД-стабильность необходима для стабильной работы устройств термоядерного синтеза с магнитным удержанием и накладывает определенные эксплуатационные ограничения. Например, бета-предел устанавливает максимально достижимую бета-плазму в токамаках .
С другой стороны, мелкомасштабные плазменные нестабильности (обычно описываемые кинетической теорией ), такие как неустойчивость дрейфовой волны , считаются движущим механизмом турбулентного переноса в токамаках, что приводит к высокой скорости переноса частиц и энергии через ограничивающие магнитные поля. Плазменные нестабильности, описываемые кинетической теорией, могут содержать такие аспекты, как эффекты конечного радиуса Лармора (FLR) и резонансные взаимодействия волн и частиц, которые не учитываются в жидкостных моделях, таких как МГД.
Нестабильности плазмы можно разделить на две основные группы:
Неустойчивости плазмы также классифицируются по различным режимам (например, по отношению к пучку частиц): [1] [2]
Бета — это отношение давления плазмы к напряженности магнитного поля . [33]
МГД-устойчивость при высоком бета имеет решающее значение для компактного, экономически эффективного магнитного термоядерного реактора. Плотность мощности термоядерного синтеза варьируется примерно как при постоянном магнитном поле или как при постоянной доле бутстрапа в конфигурациях с внешним током плазмы. (Вот нормализованная бета.) Во многих случаях МГД-устойчивость представляет собой основное ограничение на бета и, следовательно, на плотность мощности термоядерного синтеза. МГД-устойчивость также тесно связана с вопросами создания и поддержания определенных магнитных конфигураций, ограничения энергии и стационарной работы. К критическим вопросам относятся понимание и расширение пределов устойчивости за счет использования различных плазменных конфигураций и разработка активных средств для надежной работы вблизи этих пределов. Необходимы точные прогностические возможности, которые потребуют добавления новой физики к существующим моделям МГД. Хотя существует широкий спектр магнитных конфигураций, базовая физика МГД является общей для всех. Понимание МГД-устойчивости, полученное в одной конфигурации, может принести пользу другим, путем проверки аналитических теорий, предоставления эталонных показателей для прогностических кодов МГД-устойчивости и продвижения разработки активных методов управления.
Наиболее фундаментальная и критическая проблема стабильности для магнитного синтеза заключается в том, что МГД-неустойчивости часто ограничивают производительность при высоком бета. В большинстве случаев важными нестабильностями являются длинноволновые глобальные моды из-за их способности вызывать серьезную деградацию удержания энергии или прекращение существования плазмы. Некоторые важные примеры, которые являются общими для многих магнитных конфигураций, — это идеальные моды перегиба, моды резистивной стенки и неоклассические моды разрыва. Возможным последствием нарушения границ стабильности является разрушение, внезапная потеря тепловой энергии, часто сопровождаемая прекращением разряда. Таким образом, ключевой вопрос включает понимание природы бета -предела в различных конфигурациях, включая связанные с этим тепловые и магнитные напряжения, и поиск способов избежать ограничений или смягчить последствия. Изучается широкий спектр подходов к предотвращению таких нестабильностей, включая оптимизацию конфигурации плазмы и ее устройства удержания, управление внутренней структурой плазмы и активное управление МГД-неустойчивостями.
Идеальные МГД-неустойчивости, вызванные градиентами тока или давления, представляют собой предельный эксплуатационный предел для большинства конфигураций. Пределы длинноволнового режима перегиба и коротковолнового режима баллонирования, как правило, хорошо понятны и в принципе их можно избежать.
Промежуточные моды длин волн (n ~ 5–10 мод, встречающихся в плазме на периферии токамака , например) изучены хуже из-за вычислительно интенсивной природы расчетов устойчивости. Обширная база данных бета-пределов для токамаков согласуется с идеальными пределами МГД-устойчивости, давая согласие в пределах около 10% в бета для случаев, когда внутренние профили плазмы точно измерены. Это хорошее согласие обеспечивает уверенность в идеальных расчетах устойчивости для других конфигураций и в проектировании прототипов термоядерных реакторов.
Резистивные моды стенки (RWM) развиваются в плазме, которая требует наличия идеально проводящей стенки для стабильности. Устойчивость RWM является ключевой проблемой для многих магнитных конфигураций. Умеренные значения бета возможны без близлежащей стенки в токамаке , стеллараторе и других конфигурациях, но близлежащая проводящая стенка может значительно улучшить идеальную устойчивость моды перегиба в большинстве конфигураций, включая токамак, ST , пинч с обратным полем (RFP), сферомак и, возможно, FRC. В усовершенствованном токамаке и ST стабилизация стенки имеет решающее значение для работы с большой долей бутстрапа. Сферомак требует стабилизации стенки, чтобы избежать низко-m, n наклонных и сдвиговых мод и, возможно, изгибных мод. Однако при наличии неидеальной стенки медленно растущий RWM нестабилен. Резистивная мода стенки была давней проблемой для RFP и совсем недавно 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 вопрос заключается в понимании вращения плазмы, ее источников и стоков, а также ее роли в стабилизации RWM.
Резистивные нестабильности являются проблемой для всех магнитных конфигураций, поскольку начало может происходить при значениях бета значительно ниже идеального предела. Устойчивость неоклассических разрывных мод (NTM) является ключевой проблемой для магнитных конфигураций с сильным током бутстрепа . NTM является метастабильным режимом; в некоторых плазменных конфигурациях достаточно большая деформация тока бутстрепа, создаваемая «затравочным островом», может способствовать росту острова. NTM уже является важным фактором, ограничивающим производительность во многих экспериментах с токамаками, что приводит к ухудшению удержания или разрушению. Хотя основной механизм хорошо известен, возможность предсказать начало в настоящих и будущих устройствах требует лучшего понимания механизмов затухания, которые определяют размер порогового острова, и связи мод, с помощью которой другие нестабильности (например, пилообразные зубья в токамаках) могут генерировать затравочные острова. Резистивный режим баллонирования , аналогичный идеальному баллонированию, но с учетом конечного удельного сопротивления, представляет собой еще один пример резистивной нестабильности.
Конфигурация плазмы и ее ограничивающее устройство представляют возможность улучшить МГД-устойчивость надежным способом. Преимущества формирования разряда и низкого соотношения сторон для идеальной МГД-устойчивости были наглядно 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 (предложенный), проверят предсказание о том, что добавление надлежащим образом спроектированных спиральных катушек может стабилизировать идеальные изгибные моды при высоком бета, а тесты на устойчивость к раздуванию при низком бета возможны в HSX. Новые эксперименты со ST предоставляют возможность проверить предсказания о том, что низкое соотношение сторон обеспечивает улучшенную устойчивость к разрывным модам, включая неоклассические, посредством большого стабилизирующего термина « эффект Глассера », связанного с большим током Пфирша-Шлютера. Неоклассических разрывных мод можно избежать, минимизируя ток бутстрепа в квазиспиральных и квазивсемогущих конфигурациях стелларатора. Неоклассические разрывные моды также стабилизируются с соответствующими относительными знаками тока бутстрепа и магнитного сдвига; это предсказание подтверждается отсутствием NTM в центральных областях отрицательного сдвига токамаков. Конфигурации стелларатора, такие как предлагаемая NCSX, квазиосесимметричная конструкция стелларатора, могут быть созданы с отрицательным магнитным сдвигом и положительным током бутстрепа для достижения устойчивости NTM. Стабилизация моды 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 резистивных мод стенки текущей жидкой литиевой стенкой требует дальнейшей оценки.
Контроль внутренней структуры плазмы позволяет более активно избегать МГД-неустойчивостей. Например, поддержание надлежащего профиля плотности тока может помочь поддерживать устойчивость к разрывным модам. Оптимизация профилей давления и плотности тока по разомкнутому контуру с внешним нагревом и источниками тока обычно используется во многих устройствах. Улучшенные диагностические измерения вместе с локализованными источниками нагрева и тока, которые теперь становятся доступными, позволят осуществлять активное управление обратной связью внутренних профилей в ближайшем будущем. Такая работа начинается или планируется в большинстве крупных токамаков ( JET , JT–60U , DIII–D , C–Mod и ASDEX–U ) с использованием ВЧ- нагрева и тока. Анализ данных профиля в реальном времени, таких как измерения профиля тока MSE и идентификация границ устойчивости в реальном времени, являются важнейшими компонентами управления профилем. Сильное вращение плазмы может стабилизировать резистивные моды стенки, как показано в экспериментах на токамаке, а также прогнозируется, что вращательный сдвиг стабилизирует резистивные моды. Возможности 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 с электрическим токамаком предполагает очень большое управляемое вращение, приближающееся к альфвеновским режимам, где идеальная стабильность также может быть затронута. Поддержание достаточного вращения плазмы и возможная роль RWM в демпфировании вращения являются важными вопросами, которые могут быть исследованы в этих экспериментах.
Активное управление МГД-неустойчивостями с обратной связью должно позволить работать за пределами «пассивных» пределов устойчивости. Прогнозируется, что локализованное возбуждение тока ВЧ на рациональной поверхности уменьшит или устранит неоклассические острова разрывной моды. Эксперименты начались в ASDEX–U и COMPASS-D с многообещающими результатами и запланированы на следующий год [ необходимо разъяснение ] в DIII–D. Рутинное использование такой техники в условиях обобщенной плазмы потребует идентификации нестабильной моды и ее радиального расположения в реальном времени. Если вращение плазмы, необходимое для стабилизации резистивной моды стенки, не может быть сохранено, потребуется стабилизация обратной связи с помощью внешних катушек. Эксперименты с обратной связью начались в DIII–D и HBT-EP, и управление обратной связью должно быть изучено для RFP и других конфигураций. Физическое понимание этих методов активного управления будет напрямую применимо между конфигурациями.
Методы, рассмотренные выше для улучшения МГД-стабильности, являются основными средствами избежания сбоев. Однако в случае, если эти методы не предотвращают нестабильность, последствия сбоя можно смягчить различными методами. Эксперименты в JT–60U продемонстрировали снижение электромагнитных напряжений за счет работы в нейтральной точке для вертикальной устойчивости. Упреждающее удаление энергии плазмы путем инжекции большого газового потока или примесной пеллеты было продемонстрировано в экспериментах с токамаками, а продолжающиеся эксперименты в C–Mod, JT–60U, ASDEX–U и DIII–D улучшат понимание и предсказательную способность. Криогенные жидкие струи гелия являются еще одним предлагаемым методом, который может потребоваться для более крупных устройств. Методы смягчения, разработанные для токамаков, будут напрямую применимы к другим конфигурациям.
