МГД-Неустойчивости - Бейтман Г.
Скачать (прямая ссылка):
Кроме первой вакуумной стенки большинство токамаков оснащено толстым медным или алюминиевым кожухом, который помогает центрировать плазменный шнур. Как будет покагзано в гл. 4, плазменный шнур стремится расшириться по большому радиусу за счет сил, связанных с давлением плазмы, диамагнетизмом и полоидальным полем. При наличии проводящего кожуха любое смещение плазмы наводит токи отражения и создает возвращающую силу. Плазма фактически опирается на проводящий кожух. В дополнение к этому нужны обмотки полоидального или вертикального поля (эти обмотки проходят вдоль большого обхода тора концентрично плазменному шнуру), чтобы помочь центрировать плазму, так как токи отражения в проводящем кожухе затухают. В некоторых токамаках проводящий кожух полностью заменен обмотками полоидального поля, которые включены в чувствительную систему обратной связи. Если используется проводящий кожух, то он должен иметь изолирующие разрезы для того, чтобы магнитный поток и электрические поля могли проникать в плазму.
Вопрос 1.2.1. При изменении с заданной скоростью магнитного потока, ііролодящего через разомкнутую проволочную петлю, напряжение на разрезе проволочки равно скорости изменения магнитного потока через петлю, взятую с обратным знаком. Пусть меняется поток через замкнутую петлю конечного сопротивления. Каково напряжение между двумя точками па петле?
10
Вопрос 1,2,2. В токамакс псе электрическое поле, создаваемое трансформатором, сосредоточено в разрезе проводящего кожуха. Как распределено электрическое поле по тороидалшой плазме? Может ли плзчма оставаться осесим-метричной, несмотря на разрез в кожухе?
Весь комплекс, состоящий из плазмы, кожуха, а во многих токамаках и обмоток полоидального поля, окружен катушками, которые создают сильное тороидальное магнитное поле, необходимое для устойчивости плазмы. Часто эти катушки тороидального поля являются наиболее сложной частью конструкции. В наших интересах сделать тороидальное поле по возможности большим, а аспектное отношение A = RJa сделать по возможности малым (толстый компактный тороидальный шпур), для того чтобы пропустить через плазму максимально возможный тороидальный ток без нарушения условия Крускала — Шафранова, (Могут быть и другие преимущества низкого аспектного отношения, а также сильного поля.) Обмотки полоидального поля наиболее эффективны, когда они расположены близко к плазме, но сцепленндсть двух систем обмоток делает очень трудными монтаж и ремонт установки. Катушки тороидального поля, в свою очередь, должны быть расположены вдоль тора близко друг к другу, чтобы уменьшить гофрировку поля, но тогда остается очень мало места для диагностики, инжекции нейтральных пучков и соответствующих силовых конструкций. Каждая установка токамак является компромиссом между этими противоречивыми требованиями.
Обычно плазменный разряд поддерживают в течение нескольких времен удержания энергии, и поэтому профили температуры, плотности тока, плотности частиц и др. определяются балансом между нагревом и поступлением частиц и процессами переноса, которые, к сожалению, до сих пор не очень хорошо поняты. Из ряда возможностей плазма как бы сама выбирает свою форму сечения и профиль. Критерий Крускала — Шафранова и предел по убегающим электронам ограничивают тороидальный ток на слишком низком уровне, чтобы только за счет омического нагрева достичь температуры 5—40 кэВ, необходимой для управляемого термоядерного синтеза. Поэтому большие усилия были затрачены на исследование других методов нагрева плазмы в дополнение к омическому нагреву. К моменту написания книги уже было достигнуто удвоение ионной температуры до 2 кэВ с помощью инжекцнн нейтральных пучков высокой энергии, которые проходят через магнитное поле и затем ионизуются и захватываются плазмой*.
Существует по крайней мере пять типов крупномасштабных неустойчивостей, наблюдавшихся па токамаках. Мы уже виделп, как перетяжки т = 0 и винтовые неустойчивости т=1 подавляются сильным тороидальным магнитным полем. Mo даже при наличии такого сильного поля еще три типа неустойчивого поведения наблюдались на токамаках: неустойчивость срыва, колебания Мирнова и пилообразные колебания. Они будут описаны здесь приблизительно в том же порядке, в котором они были открыты.
* См, примечание на с 9.
11
Неустойчивость срыва, которая наблюдалась но крайней мере еще в 1963 г. [23, 24], представляет резкое и обычно непредсказуемое расширение плазмсного шпура, сопровождающееся большим отрицательным пичком напряжения, противоположным напряже-нию трансформатора. Расширение происходит в течение нескольких сот микросекунд после, казалось бы, нормальной эволюции плазмы, па протяжении десятков или сотен миллисекунд. Малые срывы могут повторяться на протяжении одного и того же разряда, в то время как большой срыв обычно обрывает разряд. Как мы увидим, срывов можно вообще избежать.
Неустойчивость срыва — это символическое название для комплекса заведомо сложных явлений с целым рядом характерных свойств. Непосредственно перед каждым срывом наблюдаются нарастание и переплетение винтовых возмущений плазменого шнура. К сожалению, это пе может служить предупреждением об угрозе срыва, так как приблизительно такая же картина часто существует без срыва. Жесткое рентгеновское излучение внезапно исчезает и обычно не наблюдается снова до конца разряда (возможно, из-за потери убегающих электронов). Имеются указания, что неожиданно теряются и примеси. При внезапном расширении профилей электронной температуры и плотности тока по малому радиусу, плазменный шнур резко смещается внутрь по большому радиусу. Еще более любопытные явления будут обсуждаться в гл. 11.
