Введение к работе
Актуальность темы
Открытые магнитные ловушки для удержания горячей термоядерной плазмы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими системами удержания. В открытых ловушках эффективно используется удерживающее плазму магнитное поле, и отношение давления плазмы к давлению магнитного поля (параметр /?) может достигать значений порядка единицы. Открытые ловушки допускают работу в стационарном режиме, и в них относительно просто решаются проблемы удаления из плазмы продуктов термоядерной реакции и тяжелых примесей. Кроме того, открытые ловушки привлекательны с инженерной точки зрения. В последнее время интерес к открытым магнитным системам удержания проявляется также в связи.с возможностью создания на их основе компактного генератора термоядерных нейтронов (14 Мэв) для технологических испытаний и других нужд.
Перспективы развития открытых ловушек с точки зрения их термоядерных приложений в настоящее время связываются с успехом направлений, использующих тот или иной способ подавления продольных потерь из системы. Существует несколько предложений, направленных на решение этой проблемы. Среди них можно выделить идею амбиполярного удержания плазмы, использование многопробочной конфигурации, а также ловушек с вращающейся плазмой и обращением магнитного поля. Сюда же следует отнести предложение об удержании плазмы в газодинамической ловушке. Все перечисленные схемы, обладая основными достоинствами "классических" пробкотронов, позволяют избавиться от основного недостатка последних — малого времени удержания, совпадающего, в грубом приближении, со временем ион-ионных столкновений.
С ростом времени продольного удержания становится актуальным вопрос об ограничении потерь плазмы поперек магнитного поля. Дело в том, что использование аксиально-несимметричных элементов для
создания плазменной конфигурации со "средним минимумом В" в целях обеспечения МГД-устойчивости системы может приводить даже в МГД-устойчивом режиме к значительному возрастанию коэффициентов поперечного переноса по сравнению с их "классическими" значениями. При этом доведение радиальных потерь до приемлемого уровня сопряжено со значительным усложнением магнитной конфигурации и, кроме того, трудно совместимо с требованиями МГД-равновесия и устойчивости плазмы при конечных /?. Крайне желательным, следовательно, было бы отыскание МГД-устойчивых плазменных конфигураций, обладающих аксиальной симметрией.
На сегодняшний день имеется целый ряд предложений по стабилизации МГД-возмущений в рамках осесимметричных плазменных конфигураций. Значительная их часть основана на использовании неодносвязной плазмы. Помимо чисто технических трудностей, к недостаткам подобных схем относится малая толщина плазмы, что может приводить к развитию микронеустойчивостей. В некоторых работах предлагается стабилизировать плазму в магнитной геометрии типа антипробкотрон. Перспективы использования антипробкотронов существенно зависят от пока еще недостаточно изученного экспериментально поведения горячих частиц в области нуля магнитного поля, где нарушается адиабатичность движения. Е схеме стабилизации желобковой неустойчивости "плещущимися" ионамг (т.е. с помощью создания в плазме популяции высокоэнергетичных частиц с точкой остановки в области благоприятной кривизны магнитногс поля) главным фактором, ограничивающим применимость этого метода являются жесткие требования, предъявляемые к системе инжекции горячих частиц. Стабилизация плазмы с конечным /3 путем окружения е< проводящим кожухом возможна только при высоком давлении плазмы і большой степени ее анизотропии.
Приведенный краткий обзор существующих в настоящее время предложений по МГД-стабилизации осесимметричных плазменных конфигу раций показывает, что несмотря на целый ряд'интересных идей, сегодш еще далеко нельзя сказать, что приемлемая схема найдена. Решению за дач, связанных с данной проблемой и посвящена настоящая диссертация
Цель работы
Целью настоящей работы является изучение линейной и нелинейно! устойчивости плазменных равновесий в осесимметричных открытых ло вушках. При этом исследуется устойчивость плазмы по отношению :
возмущениям, характерный пространственный масштаб которых намного превышает ларморовский радиус частиц. Неустойчивость таких крупномасштабных возмущений особенно опасна, поскольку носит конфигурационный характер, т.е. приводит к существенному искажению начального равновесного плазменного распределения.
Научная новизна
Описана динамика движения плазменного шнура па нелинейной стадии развития желобковои неустойчивости в условиях сильных эффектов конечного ларморовского радиуса (КЛР) ионов. Показана возможность нелинейной стабилизации "глобальной" моды, соответствующей смещению їлазмешюго шнура как целого.
Исследована нелинейная устойчивость плазмы по отношению к воз-лущениям "глобальной" моды в МГД-стабилпзаторах типа непаракси-шьный пробкотрон и антипробкотрон.
Проведен анализ устойчивости плазмы при наличии в ней популяции іастиц с быстрым дрейфом. Сформулирован новый обобщенный энергетический принцип, дополняющий известный энергетический принцип Заи Дама—Розенблюта—Ли, полученный ранее также в приближении іьістрого дрейфа частиц.
Предложен новый способ стабилизации желобковои неустойчивости і рамках осесимметрнчных плазменных конфигураций, основанный на юдавленни неустойчивых возмущений эффектом "отрицательной инер-шн".
Исследована винтовая неустойчивость плазменного шнура с учетом мороженности плазмы в торцы установки. Задача решена как в линей-ом приближении, так и в слабонелинейном пределе.
Ірактическая ценность работы
'езультаты, полученные в диссертации, представляют не только чисто еоретпческий интерес, но имеют также вполне конкретные практиче-кпе приложения. Перечислим несколько таких приложений.
Исследованная в диссертации стабилизация "глобальной" моды же-обковых возмущений сильным эффектом КЛР и проводящей стенкой ожет оказывать существенное влияние на устойчивость плазмы в экс-эрпментах на уже работающей в БИЯФ ловушке ГДЛ, а также на соору-аемой установке ЛМБАЛ-М, роль проводящей стенки при этом могут
играть также и лимитеры, имеющие контакт с плазмой. Кроме того, результаты, связанные с насыщением неустойчивости "глобальной" моды на нелинейной стадии ее развития, качественно согласуются с поведением плазменного шнура в экспериментах на амбиполярной ловушке TARA.
Проведенный анализ нелинейной устойчивости "глобальной" моды в концевых МГД-стабилизаторах разных типов имеет непосредственное отношение к проблеме удержания плазмы в амбиполярных ловушках и, в частности, в ловушке АМБАЛ-М.
Изучение устойчивости плазмы, содержащей популяцию горячих бы-стродрейфующих частиц, актуально как для экспериментов на установке АМБАЛ-М, так и для создания нейтронного источника на основе ГДЛ или на основе квадрупольной открытой ловушки, предложенной в Ливер-морской Национальной лаборатории в США. В первом случае быстрыми частицами являются горячие ионы в концевом стабилизаторе, во втором и третьем — высокоэнергетичные "плещущиеся" дейтоны.
Результаты, полученные при исследовании влияния вмороженности плазмы в торцы установки на устойчивость винтовой моды, имеют важные приложения к экспериментам по нагреву плазмы релятивистским электронным пучком на установке ГОЛ-3.
Апробация работы
Основные результаты представленных в диссертации исследований докладывались на семинарах в БИЯФ СО РАН, а также на:
Всесоюзном совещании по плазменным процессам в сильных электрическом и магнитном полях (г. Бакурианн, 1991);
Междунарадной школе по нелинейным МГД-процессам (г. Сант Андрисберг, Германия, 1991);
Всесоюзной конференции по физике плазмы и УТС (г. Звенигород, 1992).
По теме диссертации опубликовано 6 статей.
Структура и объем работы