Неравновесные процессы при интенсивном нагреве плазмы с кулоновскими соударениями

• Автор: Шалашов, Александр Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 168 с. : ил.

I Кинетическое описание плазмы в магнитных ловушках
1.1 Движение отдельных заряженных частиц в магнитных ловушках
1.2 Иерархия кинетических уравнений для функции распределения
1.3 Системы координат в пространстве импульсов
1.4 Кулоновские соударения
Изотропное распределение фоновых частиц
Линеаризованный оператор соударений
Баунс-усредненный оператор соударений
Физические аспекты кулоновского взаимодействия
1.5 Оценка характерных времен
II Электронно-циклотронное взаимодействие при квазипоперечном
распространении излучения в тороидальной плазме
2.1 Введение
2.2 Квазилинейная диффузия в тороидальной плазме
2.3 Моделирование кулоновских соударений при описании нагрева плазмы
Постановка задачи
Формирование квазилинейного возмущения
Квазистационарный нагрев электронной компоненты
Динамика температуры для узкого резонансного слоя
2.4 Самосогласованная модель ЭЦ нагрева плазмы в тороидальной ловушке
Основные уравнения и параметры задачи
Упрощенное описание в случае узкого спектра излучения
Результаты расчетов
2.5 Квазилинейное возмущение спектра излучения плазмы в окрестности частоты ЭЦ нагрева
Качественный анализ
Расчет ЭЦ излучения для круглого токамака
Расчет ЭЦ излучения для стелларатора iV7-AS

2.6 Генерация безындукционного тока при квазипоперечном вводе ЭЦ
излучения
Основные уравнения
Генерация тока в однородной плазме
Оценка тока в.тороидальной системе
Влияние постоянного электрического поля
2.7 Заключение к главе II
III Ускорение электронов при магнитном сжатии корональной плазмы105
3.1 Введение
3.2 Динамика магнитного поля в солнечной короне
3.3 Динамика фоновой плазмы
3.4 Распределение энергичных электронов
Условия «убегания»электронов
Решение кинетического уравнения для функции распределения энергичных электронов
3.5 Предельный запас энергии горячих электронов
Развитие ЭЦ неустойчивостей
Потери на синхротронное излучение
3.6 Заключение к главе III
IV Ионно-циклотронные неустойчивости термоядерной плазмы при нагреве методом инжекции нейтральных пучков
4.1 Введение
4.2 Экспериментальное исследование на стеллараторе V7-AS
Экспериментальные условия
Основные экспериментальные результаты
4.3 Моделирование функции распределения быстрых ионов при нейтральной инжекции
4.4 Нижнегибридная неустойчивость в условиях двойного резонанса
4.5 Неустойчивость ионных бернштейновских волн
4.6 Заключение к главе IV
Заключение
Литература

Л>'
Особенностью нагрева высокотемпературной плазмы является существенно неоднородное распределение вкладываемой мощности по фазовому пространству частиц. Например, при нагреве плазмы за счет резонансного поглощения высокочастотного излучения энергия вкладывается в выделенную в пространстве импульсов группу частиц, удовлетворяющих резонансному условию; при нагреве с помощью инжекции пучков быстрых атомов энергия передается в плазму через возбуждение и последующую релаксацию ионных пучков; при магнитном сжатии плазмы эффективность ускорения отдельных частиц зависит от их импульса и т.п. Таким образом, под действием того или иного механизма энерговклада при нагреве плазмы создаются условия для формирования неравновесных функций распределений заряженных частиц. С другой стороны, кулоновское взаимодействие между частицами плазмы приводит к возникновению «термодинамических сил», стремящихся восстановить равновесное распределение. Кроме того, в случае селективного энерговклада в выделенную группу частиц, соударения приводят к распространению возмущений функции распределения из локализованной области на все пространство импульсов, что в конечном итоге проявляется как нагрев основной компоненты плазмы.
Исследование неравновесных процессов, протекающих при интенсивном нагреве плазмы, является одной из фундаментальных задач физики плазмы. Эта задача имеет не только очевидное общефизическое значение, но и представляет значительный практический интерес, в первую очередь, в приложении к современным и планируемым установкам управляемого термоядерного синтеза (УТС) с магнитным удержанием плазмы. Условия, при которых нагрев сопровождается формированием неравновесных распределений частиц, сравнительно легко реализуются и в космической плазме — в атмосферах звезд, в том числе, в солнечной короне, и в радиационных поясах планет — здесь моделирование неравновесных процессов играет важную роль при интерпретации результатов наблюдений таких объектов.
Теоретический аппарат для исследования явлений, связанных с формированием неравновесных функций распределений в результате совместного действия кулонов-ских соударений в высокоионизованной плазме и того или иного механизма нагрева частиц, хорошо разработан, см., например, [1-8]. В большинстве случаев эволюция функции распределения может быть описана кинетическим уравнением, включающим оператор кулоновских соударений типа Фоккера-Планка и операторы, описывающие взаимодействие с внешними полями, источники и стоки частиц и т.п. Тем не

продольными скоростями, |цц/ц| < 10_4-10"2. Другое (обычно более слабое) ограничение на интенсивность поля следует нз условия отсутствм захвата частиц монохроматическим полем волны [100]. Захват становится возможным, если время пролета частицы сравнивается с периодом колебаний частицы в поле волны с конечной амплитудой, тц > Более детальный обзор нелинейных эффектов в ЭЦ диапазоне приведен, например, в [127].
2.3 Моделирование кулоновских соударений при описании нагрева плазмы
В этом разделе будет рассмотрен циклотронный нагрев электронной компоненты на выделенной магнитной поверхности в приближении заданного спектра эффективного греющего излучения.
Модификация функции распределения электронов в результате взаимодействия с высокочастотным шумовым полем проявляется, в первую очередь, как выравнивание населенностей резонансных частиц, что приводит к уменьшению поглощения ЭЦ волн. В физике плазмы этот процесс известен как квазилинейная деградация поглощаемой мощности при формировании квазилинейного плато [1,13]. На квантомеханическом языке этот процесс соответствует насыщению резонансного перехода в условиях полной компенсации прямых и обратных индуцированных переходов в системе [7,8]. При отсутствии кулоновских соударений и дополнительных стоков частиц и энергии процесс формирования квазилинейного плато в резонансной области фазового пространства электронов ничем не ограничен, в результате чего в конце концов рассматриваемый плазменный слой стал бы прозрачным для СВЧ излучения и поглощение ЭЦ волн прекратилось бы. В реальном эксперименте, конечно, этого не происходит, поскольку под действием кулоновских соударений с нерезонансными частицами формируется некоторое квазистащюнарное распределение резонансных частиц отличное от плато, которое обеспечивает ненулевое поглощение СВЧ мощности. Помимо этого, соударения приводят к распространению возмущений функции распределения из локализованной в пространстве импульсов области энерговклада на все фазовое пространство, что в конечном итоге проявляется как нагрев основной электронной компоненты [28,33,36].
Мы предполагаем, что СВЧ нагрев электронной компоненты происходит за время, значительно меньшее энергетического времени жизни плазмы. Это позволяет в первом приближении не учитывать какие-либо механизмы потерь энергии и частиц, включая н электрон-ионный энергообмен. В такой постановке за исключением случая бесстолкновителыюй плазмы задача не имеет стационарного решения — в системе реализуется неограниченный нагрев электронов.
II. ЭЦ взаимодействие при квазипоперечном распространении излучения