МГД-Неустойчивости - Бейтман Г.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 1.3 показаны две фотографии неустойчивости срыва на токамаке АТС (адиабатическое тороидальное сжатие), сделанные Якобсеиом [35]. Оптическое изображение на рис. 1.3 получено с помощью высокоскоростной кинокамеры, направленной тангенциально к плазменному шнуру, На 13 мс можно увидеть чрезвычайно сильный срыв, при котором плазма расширяется за 100 мке п сильно взаимодействует с диафрагмой. Виден только край плазмы, так как центр слишком горячий и сильно ионизован п практически не излучает в видимой части спектра. Видны также резкий отрицательный пичок напряжения (показанный перевернутым) и увеличившиеся ,возмущения магнитного поля, измеренные на краю плазмы. Есть также небольшие усиления яркости свечения плазменного шнура, сопровождаемые другими вспышками магнитной активности, как, например, тта 12,2 мс. На рис. 1,3 (внизу) показана развертка, полученная с помощью быстро движущейся фотопленки, проходящей мимо щели, смотрящей через плазменный шнур внутрь по большому радиусу, или с помощью вращающегося зеркала. Эффективное время разрешения на этой фотографии равно 15 мкс. Приблизительно после 12 мс появляется ясная винтовая структура, соответствующая моде т — 3, п—\ (на любом замкнутом контуре по малому обходу имеется три лепестка, закрученные так,, что вдоль любого контура по большому обходу вокруг плазменного шнура есть только один лепесток, вращающийся мпмо щели с частотой 8,5 кГц). На 17,1 мс произошел большой срыв, после которого винтовая структура стала некоторое время не видна (воз-
Рис. 1,3. Высокоскорості.ая фотосъемка Pi скоростная фотор а.з вертка, показывающие винтовую еіруктуру и неустойчивость срыва на тої-;а.маке АТС в Принстоне, Сигнал напряжения показан непосредственно над ними [35]:
І — сигнал напряжения обхода; 2- оітіческое изображение плазменного тора в экваториально ft плоскости; 3—сигнал ио-лоидальцого мін питного зонда
можно, потому, что неустойчивость нагрела первоначально холодную плазму на краю шнура)- Ясно видно, что плазма очень быстро расширилась. Все показанные здесь срывы были вес же достаточно слабыми^ и плазменный разряд после них восстанавливался.
13
Tpt/S, '2JiQ -
lti?3?"______
ps току
._I_
Рис, 1.4, Типичная рабочих режимов продольного тока плазмы [G]
диаграмма ток а.мак а для и плотности
Режим работы токамака можно изобразить как маленький остров в пространстве параметров. Рассмотрим, например, схематическую иллюстрацию (рис. 1.4) границ тороидального тока в зависимости от плотности частиц для токамака в общем случае. При увеличении тороидального тока, когда q падает ниже 3, наблюдается уменьшение времени удержания, сопровождаемое большими винтовыми возмущениями магнитного поля, которое, когда q тта краю плазми становится ниже 1 (предел Крускаля—Шафранова), соответствует полной потере плазмы в результате неустойчивости винтовой моды т=1. При
увеличении плотности плазмы разряд становится все более подверженным неустойчнвостям срыва. Это приводит к появлению у области рабочих параметров эффективного верхнего предела по плотности. Этот верхний предел по плотности снижается при уменьшении тороидального тока, по-видимому, из-за того, что радиальный размер плазменного шнура сокращается, так как при малом токе нельзя обеспечить прогрев плазмы вплоть до диафрагмы. Наконец, при низкой плотности слишком много электронов уходит в «просвисти, свободно ускоряясь тороидальным электрическим полем, практически не испытывая соударений. В конце концов они поглощают большую часть вложенной энергии, оставляя плазму холодной и вызывая значительные повреждения при столкновении с диафрагмой или стенкой. Можної полностью устранить неустойчивости срыва и достичь оптимального режима, если работать в пределах этого острова параметров.
Сейчас общепризнано, что неустойчивость срыва — это наиболее опасная и наиболее загадочная из неустойчивостей, наблюдаемых в токамаках. То, что она возникает совершенно непредсказуемо и развивается очень быстро, делает ее очень трудной для изучения —как экспериментально, так и теоретически. По этой причине она представляет одно из наименее понятых явлений в токамаках. Некоторые дополнительные наблюдения и попытка их теоретического объяснения будут даны в гл. 11.
Вопрос 1.2.3- Как будет показано в § 4.7, магнитная энергия 1/2ц J B2dbx тороидального плазменного кольца приблизительно равна магнитной энергии прямолинейного плазменного цилиндра с радиусом, рапным малому радиусу тороидальной плазмы, и который окружен кожухом, несущим обратный ток, с радиусом, равным большому радиусу тороидального шнура. Предположим, чте* тороидальный ток зафиксирован, а малый радиус плазмы (профиль тока) расширяется при уменьшении большого радиуса Как меняется магнитная энергия?
Колебания Мирнова. При нормальных условиях работы токамака на границе плазменного шнура можно обнаружить малые
14
Рис. 1.5. Эоолюция колебаний Мирнова в токамаке Т-3 (ИАЭ им, И. В. Курчатова), Осциллограммы показывают ток (/) и сигнал колебаний магнитного поля (W). Нижелод ними приведены пространственные картины винтовых возмущений магнитного поля в поперечном сечении іта краю ил ал мы [29]
