Неустойчивость - срыв
Cтраница 1
Неустойчивость срыва ( называемая в английской литературе дизруп-тивной) представляет собой весьма необычный и очень интересный вид плазменной активности в токамаках. Неустойчивость проявляется либо в одиночных, либо в периодически повторяющихся резких изменениях параметров плазмы. Плазменный шнур вдруг резко, за 30 - 100 мкс, расширяется в радиальном направлении ( по малому радиусу), внутри него происходит перераспределение тока, так что плотность тока понижается в центральной области и повышается на периферии. Из-за изменения условий равновесия шнур смещается внутрь по большому радиусу. [1]
Неустойчивость срыва, как правило, сопровождается отрицательными пичками на напряжении обхода, что отвечает выбросу из плазмы части полоидального потока магнитного поля. Часто неустойчивости срыва предшествует развитие винтовых мод на периферии шнура. [2]
Несмотря на целый ряд попыток теоретического объяснения неустойчивости срыва [9-12], удовлетворительной картины этого явления пока достигнуто не было. В этой работе с помощью исследования мягкого рентгеновского излучения плазмы была обнаружена так называемая внутренняя неустойчивость срыва. Эта неустойчивость проявляется в виде пилообразных колебаний рентгеновского излучения. Его изучение показало, что в небольшой области около центра шнура имеют место периодические колебания, которые можно описать качественно следующим образом. По измерению профиля температуры и при фиксированном параметре qa 4 6 на границе шнура можно принять, что в области г rs к, 2 см величина q снижается до значений, меньше единицы. [3]
Таким образом, нам кажется правдоподобным объяснение неустойчивости срыва как результата развития взаимодействующих между собой внешних винтовых мод и внутренней нелинейной неустойчивости т 1, которые сопровождаются резким расширением шнура типа вспышки бомовской диффузии. При этом отрицательный пичок на напряжении обхода может быть связан с развитием мод, у которых резонансная точка q т лежит снаружи от шнура, так что их развитие сопровождается вытеснением части полоидального потока из периферийной области. Для подробного рассмотрения всех затронутых вопросов требуется более детальный анализ экспериментальных данных. [4]
Долгое время не было ясно, какова природа неустойчивости срыва. Ключ к ее пониманию появился, когда в экспериментах фон Гелера, Стоди-ка и Саутхофа [19] было обнаружено другое явление, получившее название пилообразных колебаний или внутреннего срыва. Оно заключается в том, что в глубине плазменного шнура возникают периодические колебания релаксационного типа, в которых центр шнура постепенно разогревается, а затем тепло резко сбрасывается за пределы некоторого цилиндра радиуса rs, который обычно значительно меньше радиуса плазмы а. [5]
Иногда в плазме токамака развивается более грозное явление - неустойчивость срыва. Она более масштабна и приводит к выбросу энергии из плазмы вплоть до стенок вакуумной камеры. Неустойчивость срыва, по всей вероятности, также связана с процессами перезамыкания, захватывающими в этом случае практически весь плазменный шнур. К счастью, существуют возможности создавать благоприятные условия для разряда, когда неустойчивость срыва отсутствует. [6]
 |
Перезамыкание магнитных поверхностей в приосевой области токамака. а-г - оперечное сечение. д-ж - отрезок тороида. [7] |
Сходная, но более сложная картина перезамыкания силовых линий происходит и при неустойчивости срыва. Если это возмущение и соответствующий ему магнитный остров достаточно велики, то может начаться взаимодействие с другими модами ( например, с внутренней га 1, п 1), которое порождает новые моды и соответствующие им острова. В конечном счете резервуаром энергии для этой неустойчивости служит энергия полоидаль-ного магнитного поля. [8]
Во время срыва происходит сброс энергии из плазмы, сопровождаемый сильными МГД-колебаниями и уплощением профиля распределения плотности тока по радиусу. Неустойчивость срыва может приводить к полному разрушению плазменного шнура и прекращению тока в плазме - в этом случае говорят о так называемом большом срыве. Наряду с ними существуют малые срывы - сбросы части энергии из плазмы, которые могут повторяться многократно, не разрушая полностью шнур. И в малых, а тем более в больших срывах на осциллограмме напряжения обхода V ( t) наблюдаются отрицательные выбросы, что соответствует выталкиванию из плазмы некоторой доли полоидального магнитного потока. [9]
Неустойчивость срыва, как правило, сопровождается отрицательными пичками на напряжении обхода, что отвечает выбросу из плазмы части полоидального потока магнитного поля. Часто неустойчивости срыва предшествует развитие винтовых мод на периферии шнура. [10]
Иногда в плазме токамака развивается более грозное явление - неустойчивость срыва. Она более масштабна и приводит к выбросу энергии из плазмы вплоть до стенок вакуумной камеры. Неустойчивость срыва, по всей вероятности, также связана с процессами перезамыкания, захватывающими в этом случае практически весь плазменный шнур. К счастью, существуют возможности создавать благоприятные условия для разряда, когда неустойчивость срыва отсутствует. [11]
Разумеется, крупные размеры плазмы ИТЭР внушают некоторые опасения. Ток плазмы 7 21 МА сам по себе впечатляет - он в три раза превышает ток на самом крупном токамаке JET. Но еще больше впечатляет тепловая и магнитная энергии плазмы. В случае развития неустойчивости срыва эти энергии непременно будут выброшены на стенку, окружающую плазму. Все эти эффекты тщательно анализируются рабочей группой ИТЭР и домашними командами. [12]
Иногда в плазме токамака развивается более грозное явление - неустойчивость срыва. Она более масштабна и приводит к выбросу энергии из плазмы вплоть до стенок вакуумной камеры. Неустойчивость срыва, по всей вероятности, также связана с процессами перезамыкания, захватывающими в этом случае практически весь плазменный шнур. К счастью, существуют возможности создавать благоприятные условия для разряда, когда неустойчивость срыва отсутствует. [13]
Если на границе шнура q не очень велико, то внутренняя мода т 1 через кривизну шнура и свои собственные нелинейные гармоники может связываться с винтовыми колебаниями границы шнура. Грубо говоря, внутренняя мода встряхивает весь шнур. В последних экспериментах Муховатова [3, 4], например, наблюдается одновременное развитие нескольких мод с различными т на периферии шнура. Появление этих мод и сильная несимметрия конфигурации может привести к аномальной диффузии плазмы на периферии шнура типа бомовской. Заметим, что скорость расширения границы шнура во время неустойчивости срыва имеет порядок величины бомовской диффузии. [14]
Оказалось, однако, что процессы перезамыкания совершенно неожиданно проявились в экспериментах, в которых все усилия экспериментаторов были направлены на получение спокойной плазмы без каких-либо динамических процессов. Наиболее устойчивой плазма, казалось бы, должна быть в условиях, когда она стабилизирована сильным магнитным полем. Установка такого типа называется токамаком. Упрощенно это - тороидальная камера с сильным продольным магнитным полем, в которой плазма создается и поддерживается в горячем состоянии протекающим по плазме продольным током. Идеально, в такой плазме должны образовываться вложенные друг в друга тороидальные поверхности, на которых располагаются магнитные силовые линии. Еще в ранних экспериментах Арцимовича, Мирнова и Стрелкова [17] и Горбунова и Разумовой [18] было обнаружено, что в плазме токамака иногда неожиданно развивается так называемая неустойчивость срыва, которая приводит к выбросу части полоидального магнитного потока за пределы плазмы, а иногда приводит к полному разрушению плазмы и прекращению тока. [15]
Страницы: 1