La estabilidad de un plasma es una consideración importante en el estudio de la física del plasma . Cuando un sistema que contiene un plasma está en equilibrio , es posible que ciertas partes del plasma sean perturbadas por pequeñas fuerzas perturbadoras que actúan sobre él. La estabilidad del sistema determina si las perturbaciones crecerán, oscilarán o se amortiguarán.
En muchos casos, un plasma puede tratarse como un fluido y su estabilidad analizada con magnetohidrodinámica (MHD). La teoría MHD es la representación más simple de un plasma, por lo que la estabilidad MHD es una necesidad para que los dispositivos estables se utilicen para la fusión nuclear , específicamente la energía de fusión magnética . Sin embargo, existen otros tipos de inestabilidades , como las inestabilidades de velocidad-espacio en espejos magnéticos y sistemas con haces. También hay casos raros de sistemas, por ejemplo, la configuración de campo invertido , que MHD predice que es inestable, pero que se observa que es estable, probablemente debido a efectos cinéticos.
Inestabilidades del plasma
Las inestabilidades plasmáticas se pueden dividir en dos grupos generales:
- inestabilidades hidrodinámicas
- inestabilidades cinéticas.
Las inestabilidades del plasma también se clasifican en diferentes modos (por ejemplo, con referencia a un haz de partículas): [1] [2]
Modo (número de onda azimutal) | Nota | Descripción | Modos radiales | Descripción |
---|---|---|---|---|
m = 0 | Inestabilidad de la salchicha : muestra variaciones armónicas del radio del haz con la distancia a lo largo del eje del haz | n = 0 | Hueco axial | |
n = 1 | Embutido estándar | |||
n = 2 | Agrupamiento axial | |||
m = 1 | Sinuoso , torcido o inestabilidad de la manguera : representa los desplazamientos transversales de la sección transversal de la viga sin cambios en la forma o en las características de una viga que no sean la posición de su centro de masa. | |||
m = 2 | Modos de filamentación: el crecimiento conduce a la ruptura del haz en filamentos separados. | Da una sección transversal elíptica | ||
m = 3 | Da una sección transversal piriforme (en forma de pera) | |||
m = 4 | Consta de cuatro hélices entrelazadas |
Lista de inestabilidades plasmáticas
- Inestabilidad de Buneman, [3]
- Inestabilidad de Cherenkov , [9]
- Inestabilidad de la coalescencia, [10]
- Inestabilidad de coalescencia no lineal
- Inestabilidad de la tolva,
- Colapso de la inestabilidad,
- Inestabilidades del ciclotrón, que incluyen:
- Inestabilidad del ciclotrón de Alfven
- Inestabilidad del maser del ciclotrón, [11]
- Inestabilidad de ciclotrón de electrones
- Inestabilidad ciclotrón de iones electrostáticos
- Inestabilidad del ciclotrón iónico
- Inestabilidad del ciclotrón magnetoacústico
- Inestabilidad del ciclotrón de protones
- Inestabilidad de ciclotrón de tipo haz no resonante
- Inestabilidad relativista del ciclotrón de iones
- Inestabilidad del ciclotrón de Whistler
- Inestabilidad de diocotrón , [12] (similar a la inestabilidad del fluido Kelvin-Helmholtz ).
- Inestabilidad disruptiva (en tokamaks ) [13]
- Inestabilidad de doble emisión,
- Modos localizados en los bordes , [14] [15]
- Inestabilidad explosiva (o inestabilidad en globo ), [16]
- Inestabilidad de resonancia de plasma doble, [17]
- Inestabilidad de deriva [18] (también conocida como inestabilidad de onda de deriva, [19] o inestabilidad universal [20] )
- Menor inestabilidad híbrida (deriva) (en el mecanismo de velocidad de ionización crítica )
- Inestabilidad por deriva magnética, [21]
- Inestabilidad de deriva lenta
- Inestabilidad electrotérmica
- Inestabilidad del ventilador, [22]
- Inestabilidad de la manguera contra incendios (también conocida como inestabilidad de la manguera)
- Inestabilidad de los peces,
- Inestabilidad del maser de electrones libres,
- Inestabilidad de Gyrotron,
- Inestabilidad helicoidal (hélice),
- Inestabilidad de los pantalones vaqueros , [23] [24]
- Inestabilidad magnetorrotacional (en discos de acreción )
- Inestabilidad magnetotérmica (plasma láser), [25]
- Inestabilidad modulacional
- Inestabilidad no abeliana,
- Inestabilidad de pareja (en supernovas)
- Inestabilidad de Parker (inestabilidad de flotabilidad magnética ), [26]
- Inestabilidad de Peratt ( toroides apilados )
- Inestabilidad de pellizco (también conocida como inestabilidad de pellizco de Bennett), [27] [28]
- Inestabilidad de la salchicha (m = 0)
- Inestabilidad de torsión (m = 1)
- Inestabilidad de torsión helicoidal (también conocida como inestabilidad helicoidal)
- Inestabilidad de Rayleigh-Taylor (RTI, también conocida como inestabilidad gravitacional)
- Inestabilidad de intercambio (también conocida como inestabilidad de flauta), [29]
- Inestabilidad rotatoria, [30]
- Inestabilidad del modo de desgarro (o inestabilidad de desgarro resistiva [31] )
- Inestabilidad de dos corrientes (también conocida como inestabilidad de haz de plasma, inestabilidad de contraflujo)
- Inestabilidad acústica del haz
- Inestabilidad de choque en la cola
- Inestabilidad del haz de iones
- Inestabilidad del haz débil
- Inestabilidad de Weibel
- Inestabilidad Chromo-Weibel (es decir, inestabilidad no abeliana)
- Inestabilidad de filamentación (también conocida como inestabilidad de haz-Weibel), [32]
Inestabilidades de MHD
Beta es una relación entre la presión plasmática y la fuerza del campo magnético .
[33]
La estabilidad de MHD en beta alta es crucial para un reactor de fusión magnética compacto y rentable. La densidad de potencia de fusión varía aproximadamente como en un campo magnético constante, o como a una fracción de arranque constante en configuraciones con corriente de plasma impulsada externamente. (Aquíes la beta normalizada). En muchos casos, la estabilidad del MHD representa la limitación principal de la beta y, por tanto, de la densidad de potencia de fusión. La estabilidad de MHD también está estrechamente relacionada con cuestiones de creación y mantenimiento de ciertas configuraciones magnéticas, confinamiento de energía y funcionamiento en estado estable. Los problemas críticos incluyen comprender y extender los límites de estabilidad mediante el uso de una variedad de configuraciones de plasma y desarrollar medios activos para un funcionamiento confiable cerca de esos límites. Se necesitan capacidades predictivas precisas, que requerirán la adición de nueva física a los modelos MHD existentes. Aunque existe una amplia gama de configuraciones magnéticas, la física subyacente del MHD es común a todos. La comprensión de la estabilidad de MHD obtenida en una configuración puede beneficiar a otras al verificar las teorías analíticas, proporcionar puntos de referencia para los códigos de estabilidad de MHD predictivos y promover el desarrollo de técnicas de control activo.
El problema de estabilidad más fundamental y crítico para la fusión magnética es simplemente que las inestabilidades de MHD a menudo limitan el rendimiento en beta alta. En la mayoría de los casos, las inestabilidades importantes son modos globales de longitud de onda larga, debido a su capacidad para causar una degradación severa del confinamiento de energía o la terminación del plasma. Algunos ejemplos importantes que son comunes a muchas configuraciones magnéticas son los modos de torsión ideales, los modos de pared resistiva y los modos de desgarro neoclásicos. Una posible consecuencia de violar los límites de estabilidad es una interrupción, una pérdida repentina de energía térmica seguida a menudo por la terminación de la descarga. Por lo tanto, la cuestión clave incluye comprender la naturaleza del límite beta en las diversas configuraciones, incluidas las tensiones térmicas y magnéticas asociadas, y encontrar formas de evitar los límites o mitigar las consecuencias. Se está investigando una amplia gama de enfoques para prevenir tales inestabilidades, incluida la optimización de la configuración del plasma y su dispositivo de confinamiento, el control de la estructura interna del plasma y el control activo de las inestabilidades del MHD.
Inestabilidades ideales
Las inestabilidades ideales de MHD impulsadas por gradientes de corriente o presión representan el límite operativo final para la mayoría de las configuraciones. Los límites del modo de torsión de longitud de onda larga y del modo de globo de longitud de onda corta se comprenden bien en general y, en principio, pueden evitarse.
Los modos de longitud de onda intermedia (n ~ 5–10 modos que se encuentran en los plasmas de borde tokamak , por ejemplo) se comprenden menos debido a la naturaleza computacionalmente intensiva de los cálculos de estabilidad. La extensa base de datos de límites beta para tokamaks es consistente con los límites ideales de estabilidad de MHD, lo que produce un acuerdo de aproximadamente 10% en beta para los casos en los que los perfiles internos del plasma se miden con precisión. Este buen acuerdo proporciona confianza en los cálculos de estabilidad ideal para otras configuraciones y en el diseño de prototipos de reactores de fusión.
Modos de pared resistiva
Los modos de pared resistiva (RWM) se desarrollan en plasmas que requieren la presencia de una pared perfectamente conductora para la estabilidad. La estabilidad de RWM es un tema clave para muchas configuraciones magnéticas. Los valores beta moderados son posibles sin una pared cercana en el tokamak , stellarator y otras configuraciones, pero una pared conductora cercana puede mejorar significativamente la estabilidad del modo de torsión ideal en la mayoría de las configuraciones, incluyendo tokamak, ST , pinch de campo inverso (RFP), spheromak , y posiblemente el FRC. En el tokamak avanzado y el ST, la estabilización de la pared es fundamental para el funcionamiento con una gran fracción de arranque . El spheromak requiere estabilización de la pared para evitar los modos low-m, n de inclinación y desplazamiento, y posiblemente los modos de flexión. Sin embargo, en presencia de una pared no ideal, el RWM de crecimiento lento es inestable. El modo de pared resistiva ha sido un problema de larga data para la RFP, y más recientemente se ha observado en experimentos de tokamak. El progreso en la comprensión de la física del RWM y el desarrollo de los medios para estabilizarlo podría ser directamente aplicable a todas las configuraciones magnéticas. Un tema estrechamente relacionado es comprender la rotación del plasma, sus fuentes y sumideros, y su papel en la estabilización del RWM.
Inestabilidades resistivas
Las inestabilidades resistivas son un problema para todas las configuraciones magnéticas, ya que el inicio puede ocurrir en valores beta muy por debajo del límite ideal. La estabilidad de los modos de desgarro neoclásicos (NTM) es un tema clave para las configuraciones magnéticas con una fuerte corriente de arranque . El NTM es un modo metaestable; en ciertas configuraciones de plasma, una deformación suficientemente grande de la corriente de arranque producida por una “isla de semillas” puede contribuir al crecimiento de la isla. El NTM ya es un factor importante que limita el rendimiento en muchos experimentos de tokamak, lo que conduce a un confinamiento o interrupción degradados. Aunque el mecanismo básico está bien establecido, la capacidad de predecir la aparición en dispositivos presentes y futuros requiere una mejor comprensión de los mecanismos de amortiguación que determinan el tamaño de la isla umbral y del acoplamiento de modos mediante el cual otras inestabilidades (como los dientes de sierra en los tokamaks) pueden generar islas de semillas. El modo de globo resistivo , similar al globo ideal, pero teniendo en cuenta la resistividad finita, proporciona otro ejemplo de inestabilidad resistiva.
Oportunidades para mejorar la estabilidad de MHD
Configuración
La configuración del plasma y su dispositivo de confinamiento representan una oportunidad para mejorar la estabilidad del MHD de manera robusta. Los beneficios de la configuración de descarga y la relación de aspecto baja para una estabilidad MHD ideal se han demostrado claramente en tokamaks y ST, y se seguirán investigando en experimentos como DIII-D , Alcator C-Mod , NSTX y MAST . Nuevos experimentos de stellarator como NCSX (propuesto) probarán la predicción de que la adición de bobinas helicoidales diseñadas apropiadamente puede estabilizar modos de torsión ideales en beta alta, y en HSX son posibles pruebas de estabilidad de globo con beta baja. Los nuevos experimentos ST brindan la oportunidad de probar las predicciones de que una relación de aspecto baja produce una estabilidad mejorada para los modos de desgarro, incluido el neoclásico, a través de un gran término estabilizador de “ efecto Glasser ” asociado con una gran corriente de Pfirsch-Schlüter. Los modos de desgarro neoclásicos pueden evitarse minimizando la corriente de arranque en configuraciones esteladoras cuasi-helicoidales y cuasi-omnígenas. Los modos de desgarro neoclásicos también se estabilizan con los signos relativos apropiados de la corriente de arranque y el cizallamiento magnético; esta predicción está respaldada por la ausencia de NTM en las regiones centrales de corte negativo de los tokamaks. Las configuraciones de Stellarator, como el NCSX propuesto, un diseño de stellarator cuasi-axisimétrico, se pueden crear con cizallamiento magnético negativo y corriente de arranque positiva para lograr estabilidad al NTM. La estabilización del modo de torsión mediante una pared resistiva se ha demostrado en RFP y tokamaks, y se investigará en otras configuraciones, incluidas ST (NSTX) y spheromaks (SSPX). Una nueva propuesta para estabilizar los modos de pared resistiva mediante una pared de litio líquido que fluye necesita una evaluación adicional.
Estructura interna
El control de la estructura interna del plasma permite evitar de forma más activa las inestabilidades de MHD. Mantener el perfil de densidad de corriente adecuado, por ejemplo, puede ayudar a mantener la estabilidad en los modos de desgarro. La optimización de bucle abierto de los perfiles de presión y densidad de corriente con fuentes de excitación de corriente y calefacción externas se utiliza de forma rutinaria en muchos dispositivos. Las mediciones de diagnóstico mejoradas junto con fuentes de impulsión de corriente y calefacción localizadas, ahora disponibles, permitirán un control de retroalimentación activa de los perfiles internos en un futuro próximo. Este trabajo está comenzando o planificado en la mayoría de los tokamaks grandes ( JET , JT – 60U , DIII – D , C – Mod y ASDEX – U ) utilizando calentamiento de RF y transmisión de corriente. El análisis en tiempo real de los datos del perfil, como las mediciones del perfil actual de MSE y la identificación en tiempo real de los límites de estabilidad, son componentes esenciales del control del perfil. La rotación de plasma fuerte puede estabilizar los modos de pared resistiva, como se demostró en los experimentos de tokamak, y también se predice que el cizallamiento rotacional estabilizará los modos resistivos. Las oportunidades para probar estas predicciones las proporcionan configuraciones como ST, spheromak y FRC, que tienen una gran rotación diamagnética natural, así como tokamaks con rotación impulsada por inyección de haz neutro. El experimento Electric Tokamak está destinado a tener una rotación impulsada muy grande, acercándose a los regímenes alfvénicos donde también se puede influir en la estabilidad ideal. Mantener una rotación de plasma suficiente y el posible papel del RWM en amortiguar la rotación son cuestiones importantes que pueden investigarse en estos experimentos.
Control de retroalimentación
El control de retroalimentación activa de las inestabilidades del MHD debería permitir el funcionamiento más allá de los límites de estabilidad "pasivos". Se predice que el impulso de corriente de RF localizado en la superficie racional reducirá o eliminará las islas de modo de desgarro neoclásicas. Los experimentos han comenzado en ASDEX-U y COMPASS-D con resultados prometedores, y están planificados para el próximo año [ aclaración necesaria ] en DIII-D. El uso rutinario de dicha técnica en condiciones de plasma generalizadas requerirá la identificación en tiempo real del modo inestable y su ubicación radial. Si no se puede mantener la rotación de plasma necesaria para estabilizar el modo de pared resistiva, se requerirá la estabilización por retroalimentación con bobinas externas. Los experimentos de retroalimentación han comenzado en DIII-D y HBT-EP, y se debe explorar el control de retroalimentación para la RFP y otras configuraciones. La comprensión física de estas técnicas de control activo será directamente aplicable entre configuraciones.
Mitigación de interrupciones
Las técnicas discutidas anteriormente para mejorar la estabilidad de MHD son el medio principal para evitar interrupciones. Sin embargo, en el caso de que estas técnicas no eviten una inestabilidad, los efectos de una interrupción pueden mitigarse mediante varias técnicas. Los experimentos en JT-60U han demostrado la reducción de las tensiones electromagnéticas mediante la operación en un punto neutro para la estabilidad vertical. La eliminación preventiva de la energía del plasma mediante la inyección de una gran bocanada de gas o un gránulo de impureza se ha demostrado en experimentos de tokamak, y los experimentos en curso en C – Mod, JT – 60U, ASDEX – U y DIII – D mejorarán la comprensión y capacidad predictiva. Los chorros de helio líquido criogénico son otra técnica propuesta, que puede ser necesaria para dispositivos más grandes. Las técnicas de mitigación desarrolladas para tokamaks serán directamente aplicables a otras configuraciones.
Ver también
- Lista de artículos de física del plasma
- Lista de inestabilidades hidrodinámicas con nombres de personas
Referencias
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