19236

УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ

Лекция

Физика

Устойчивость плазмы Вопросы устойчивости плазмы важны для установок содержащих низкотемпературную и высокотемпературную плазму ввиду того что потеря устойчивости может означать разрушение плазмы исчезновение рабочих параметров и т.д. При проблеме управляемого т

Русский

2013-07-11

98.5 KB

2 чел.

Устойчивость плазмы

Вопросы устойчивости плазмы важны для установок содержащих низкотемпературную и высокотемпературную плазму, ввиду того что потеря устойчивости может означать разрушение плазмы, исчезновение рабочих параметров и т.д. При проблеме управляемого термоядерного синтеза, ставящей своей целью нагрев плазмы до температур порядка Т=107-108 К, возник целый ряд неустойчивостей, препятствующих эффективному нагреву плазмы и вызывающих различные виды потери энергии и частиц  плазмы. Основными видами неустойчивостей плазмы являются следующие: 1) магнитогидродинамические (желобковая, токовые), 2) кинетические (пучковая, конусная, дрейфово-конусная). Первый вид неустойчивостей связан с изменением формы плазмы, второй вид обусловлен отклонением ее распределения по скоростям частиц от равновесного распределения. Важной величиной для определения равновесия плазмы является параметр  :

                       

Данное выражение является отношением газокинетического давления и магнитного. В ряде установок по получению горячей плазмы внешняя граница плазмы и вакуума испытывает воздействие этих давлений. Для устойчивости границы плазмы данный параметр должен принимать значения в диапазоне <1, т.е. магнитное давление, как правило,  превосходит газокинетическое.

      Рассмотрим магнитогидродинамические неустойчивости плазмы. Желобковая неустойчивость впервые была обнаружена в первых термоядерных установках – пробкотронах. В плазменных установках данного вида требовалось создать плазму цилиндрической конфигурации, расположенную в магнитном поле, направленном вдоль оси системы. Рассмотрим границу плазменного столба (рис.1). Пунктиром показаны контуры невозмущенной плазмы. Предположим, что внутри плазмы расположена тонкая магнитная трубка.  В силу вмороженности силовых линий магнитного поля при достаточно высокой проводимости, данная трубка может всплывать к поверхности плазмы под действием газокинетического давления.

                                                             Рис.1

                                                                                                                                               Вблизи поверхности плазмы такая трубка может создать поверхность, напоминающую чередование желобков и выступов (рис.1). Теоретическое рассмотрение данного явления приводит к условию устойчивости границы в виде:

                      

Данный интеграл берется вдоль данной магнитной трубки, а варьирование производится вдоль радиуса. Неравенство означает, что для устойчивости границы плазмы величина магнитного поля B  должна возрастать при увеличении расстояния от оси установки.

      Если на границе поверхности плазмы образуется выступ (рис.2), то могут произойти следующие явления. Поляризация зарядов приводит к появлению электрического поля E, направленного перпендикулярно к магнитному полю  B. В скрещенных полях E и B начинается дрейф частиц обоих знаков вдоль радиуса. В результате размеры данных выступов будут увеличиваться за счет дрейфа.

              

                                                       Рис.2

Оба вида рассмотренных неустойчивостей препятствуют получению устойчивой плазмы в магнитных ловушках. Для стабилизации плазмы в установках данного типа были созданы дополнительные магнитные поля, обеспечивающие рост суммарного магнитного поля при удалении от оси системы. При наличии данных полей происходит подавление неустойчивостей и граница плазмы становится стабильной.                                                                                                                             

      Другой вид гидродинамических неустойчивостей – токовые возникают при прохождении через плазму значительных токов. В установках по получению термоядерной плазмы токи достигают диапазона  I=104-106 A. Рассмотрим основные виды токовых неустойчивостей: “перетяжки”, “змейки” и “винтовые неустойчивости”.

      

             

1) “Перетяжки”. Предположим, что плазма имеет цилиндрическую форму и ток идет по оболочке плазмы. Пусть в некотором месте образовалось небольшое уменьшение диаметра – перетяжка (рис.3а). В плазме при сильных токах будет иметь место пинч-эффект или сжатие шнура плазмы под действием токов. Магнитному давлению тока    внутри плазмы будет противодействовать газокинетическое давление , но газ будет перетекать из области перетяжки в обе стороны, и перетяжка будет развиваться. Для стабилизации перетяжек в установке создается продольное магнитное поле Bz, которое при наличии высокой проводимости можно считать вмороженным в плазму (рис.3б). При сжатии плазмы в месте перетяжки, давлению внешнего магнитного поля B будет противодействовать давление постоянного магнитного поля Bz, которое будет стремиться вернуть первоначальную форму плазмы. В силу вмороженности силовые линии поля Bz не покинут плазму и обеспечат стабильность плазменного шнура от данных неустойчивостей.

                              Рис.3              а)                                               б)       

         

2) “Змейки”.  Другим видом токовых неустойчивостей являются так называемые “змейки” (рис.4). В результате развития данной неустойчивости шнур плазмы приобретает изгиб (рис.4а). С внутренней стороны изгиба шнура давление магнитного поля B будет больше, чем с наружной. Поэтому данная неустойчивость будет увеличиваться, не находя никакого противодействия. Для стабилизации неустойчивости вплотную к стенке камеры (1) располагается массивный медный кожух (2) (рис.4б). В этом кожухе будут наводиться индукционные токи Фуко, причем с направлением противоположным относительно  тока, идущего через плазму. Взаимодействие данных двух токов будет приводить к отталкиванию изогнувшегося шнура плазмы от стенки медного кожуха. В результате будет осуществляться стабилизация шнура в случае неустойчивостей данного типа.

          

  

                                                                                       

     Рис.4         а)                                                     б)

3) Винтовые неустойчивости. Критерий Крускала-Шафранова. Для многих установок, в первую очередь для токамаков, большое значение имеет стабилизация винтовых неустойчивостей плазменного шнура. В торообразной конфигурации токамака существуют два поля: осевое (тороидальное)  B  и поле тока  B  (рис.5). Результирующее магнитное поле является спиралеобразным с шагом   , где r –малый радиус тора. При наличии высокой проводимости плазмы и эффекте вмороженности силовых линий шнур плазмы может приобрести такую же спиральную конфигурацию, как и магнитное поле. Чтобы этого не произошло, шаг спирали  h  должен превышать длину установки  L:

                             

Подставим выражение для  h в неравенство:

                            

                            

Выражение q(r) является запасом устойчивости относительно влияния винтовых неустойчивостей. Данный критерий имеет название Крускала-Шафранова в честь теоретиков впервые получивших данное выражение для плазмы токамаков.

                                                                       Рис.5

                                                                                                                    

     

                        

       Кинетические неустойчивости в плазме, как правило, связаны с отклонением функции распределения частиц по скоростям в плазме от равновесного максвелловского распределения. В качестве примера можно привести магнитную ловушку, в которой ввиду наличия конуса потерь, отсутствуют электроны в диапазоне малых поперечных энергий. На рис.6 изображена функция (2), которая соответствует распределению по поперечным энергиям, а пунктир (1) показывает вид функции в диапазоне низких энергий в условии равновесия. Распределение по энергиям (2) похоже на ситуацию с инверсной заселенностью энергетических уровней для лазерных сред.

                                                                       

                                                               Рис.6

Механизм возникновения неустойчивости в данном случае связан с нарастанием переменного электрического поля в электромагнитной волне, которая воздействует на заряженные частицы. Как следствие этого, происходит увеличение коэффициента диффузии относительно его классического значения:

                   

                    

В результате коэффициент диффузии становится пропорциональным квадрату электрического поля, и диффузия приобретает аномальный характер.

+

    

+

    

+

    

z

z

B

I

B

I

I

I

I

1

2

I

Pм

pм

B

R

B

r

2

1

0

f()


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41031. Методы: основные понятия 182.5 KB
  Метод – это функциональный элемент класса, который реализует вычисления или другие действия, выполняемые классом или его экземпляром (объектом). Метод представляет собой законченный фрагмент кода, к которому можно обратиться по имени. Он описывается один раз, а вызываться может многократно. Совокупность методов класса определяет, что конкретно может делать класс.
41032. Поняття та особливості сучасного міжнародного права 88.5 KB
  Проблема визначення міжнародного права. Характерні риси міжнародноправової системи в порівнянні з внутрішньодержавною системою права. Функції міжнародного права.
41033. Суб’єкти міжнародного права 80.5 KB
  Держава як основний суб’єкт міжнародного права. Україна як суб’єкт міжнародного права. Правосуб’єктність вторинних суб’єктів міжнародного права: а націй і народів що борються за свою незалежність; б міжнародних організацій; в державоподібних утворень; г фізичних осіб; д транснаціональних компаній.
41034. Теоретичні основи дослідження національної культури 149.5 KB
  Теоретичні основи дослідження національної культури Поняття культури та її структури Культурологія як наукова дисципліна Становлення української культурологічної думки. З точки зору історії культури якій власне і присвячено цей посібник поняття культура†використовують при характеристиці історичних епох середньовічна культура чи пам'яток археологічна культура характеристиці суспільств та регіонів європейська культура характеристиці народів кожен з яких створює неповторний культурний простір українська культура....
41035. Надзвичайні ситуації мирного й воєнного часів, їхній вплив на життєдіяльність населення України 34.5 KB
  Запобігання надзвичайним ситуаціям природного і техногенного характеру ліквідація їх наслідків максимальне зниження масштабів втрат та збитків перетворилося на загальнодержавну проблему і одне з найважливіших завдань органів виконавчої влади і управління всіх рівнів.1 Класифікація надзвичайних ситуацій Відповідно до характеру походження подій що можуть зумовити виникнення НС на території України розподіляються: надзвичайна ситуація НС порушення нормальних умов життя і діяльності людей на об’єкті або території спричинене аварією...
41036. Структура національної культури. Українська культура як цілісна система 71 KB
  Структура національної культури. Українська культура як цілісна система Структура національної культури Українська культура як цілісна система Характерні риси сучасної світової культури 1. Проблема систематизації культури і розкриття її структури є досить складною. На цій підставі в культурі правомірно виділяти світову і національну культури.
41037. Джерела української культури 62.5 KB
  Протослов'янське населення території давньої України 2. Територія заселена трипільцями пролягала від Словаччини та Румунії до Слобідської України від Чернігова до Чорного моря. Тут жили зокрема пращури слов'ян – місцеві землеробські племена. Питання походження східних слов'ян і на сьогодні є недостатньо вивченим.
41038. Культура Київської Русі: християнське підґрунтя української культури 66 KB
  Культура Київської Русі: християнське підґрунтя української культури План: 1. Християнізація Русі як чинник нових культурних зрушень 2. Мистецтво Київської Русі як утілення світогляду релігійної та естетичної свідомості. Культура Київської Русі – видатне явище світової середньовічної культури.
41039. Духовна культура українського народу ХІV – першої половини XVІІ століття 62 KB
  Розєднаність українських земель відсутність єдиного політичного центру спустошливі турецькотатарські набіги іноземний гніт спричинили складні процеси в розвитку української культури XIV– XVI ст. Довгий час православна церква залишалася для українського населення єдиним осередком національної самобутності духовності й культури. Складна соціальнополітична ситуація що склалася в польськолитовську добу в Україні істотно позначилася на розвитку української культури. Вказані особливості притаманні усім сферам української культури періоду...