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= 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 : Лекция 15 УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАЗМЫ

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

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 z

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= 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.3 а). 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 B z, которое при наличии высокой проводимости можно считать вмороженным в плазму (рис.3 б). а) б) Рис.3 B I BzBz B I

При сжатии плазмы в месте перетяжки, давлению внешнего магнитного поля B будет противодействовать давление постоянного магнитного поля B z, которое будет стремиться вернуть первоначальную форму плазмы. В силу вмороженности силовые линии поля B z не покинут плазму и обеспечат стабильность плазменного шнура от данных неустойчивостей. 2) Змейки. Другим видом токовых неустойчивостей являются так называемые змейки (рис.4). В результате развития данной неустойчивости шнур плазмы приобретает изгиб (рис.4 а). 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.4 б).

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. а) б) Рис.4 3) Винтовые неустойчивости. Критерий Крускала-Шафранова. Для многих установок, в первую очередь для токамаков, большое значение имеет стабилизация винтовых неустойчивостей плазменного шнура. I PмPм pмpм I I I 1 2

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. B R B r

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 f( )