геодезическая акустическая мода в токамаках

Jupiterzonal flows

Зональные потоки в атмосфере Юпитера  и зональный поток (синие стрелки) на магнитной поверхности токамака

Программа управляемого термоядерного синтеза в настоящее время ориентирована на использование замкнутых магнитных систем типа токамак и стелларатор. В этих тороидальных установках доминируют аномальные процессы переноса энергии и частиц плазмы. Аномальный перенос обусловлен турбулентной конвекцией, которая возникает при развитии неустойчивостей в плазме. Проблема контроля и подавления аномальных переносов связана с задачей выяснения механизмов стабилизации и насыщения неустойчивости. Сейчас рассматриваются механизмы подавления турбулентных возмущений плазмы, обусловленные неоднородностью (широм) скорости дрейфа в радиальном электрическом и тороидальном магнитном полях тороидальных ловушек. Примечательно, что такие сдвиговые потоки могут возникать вследствие развития самой неустойчивости. Это явление возникновения средних упорядоченных потоков из-за хаотических перемещений элементов жидкости было предсказано О. Рейнольдсем. Им было введено так называемое напряжение Рейнольдса, как среднее от произведения проекций скорости турбулентных колебаний FRey ~ < vrvϑ >, которое определяет величину и направление упорядоченных потоков, получивших название зональные потоки. Зональные потоки были обнаружены при развитии турбулентности в жидкостях, в турбулентных атмосферах планет и в плазме тороидальных ловушек. Наиболее яркий пример таких зональных течений представляют собой течения в атмосфере планеты Юпитер, которые видимы как полосы, вытянутые в широтном направлении. В плазме токамаков зональные потоки проявляются как вращения плазмы вокруг малой (магнитной) оси тора, т.е. в направлении дрейфа в скрещенных электрических Er и магнитных B0 полях. В плазме токамаков развивается также так называемая высокочастотная разновидность зональных потоков, которая называется геодезической акустической модой (ГАМ). Она проявляется как гармонические колебания скорости дрейфа в скрещенных полях. Как разновидность зонального потока, ГАМ приводит к появлению шира скорости и, тем самым, может способствовать подавлению турбулентности плазмы и уменьшению аномальных переносов.

Исследование зональных потоков и ГАМ в плазме токамака представляет собой сложную задачу. Прежде всего, надо найти способ измерения потоков плазмы, а главное, этот способ должен быть реализован в плазменной среде с температурой порядка миллиона градусов. В такой среде использование любых контактных методов, таких как зондовые или сенсорные методы, невозможно. На кафедре физики плазмы впервые был предложен и реализован на токамаке ТУМАН-3М бесконтактный метод определения скоростей вращения плазмы по допплеровскому смещению частоты сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, обратно рассеянного на флуктуациях плотности плазмы (метод допплеровской рефлектометрии (ДР)). В дальнейшем этот метод нашел применение на сталлараторе W7-AS и на токамаках ToreSupra, ASDEX-Upgrade, DIII-D, EAST. diffraction

Дифракция излучения в – 1-ый порядок на движущейся дифракционной решетке

Обратное СВЧ рассеяние можно сопоставить с дифракцией излучения на двигающейся дифракционной решетке в минус первый порядок (в направлении обратном падающей волне). Движение решетки со скоростью V порождает допплеровское смещение излучения, испытавшего дифракцию — Δω = 2πV/Λ, где Λ шаг решетки, равный при обратном рассеянии λ0/2sin(ϑtilt) (λ0 – длина волны излучения, падающего на решетку под углом ϑtilt). По измеренной величине Δω можно определить скорость V.

scattering

Обратное СВЧ рассеяние в плазме. Зеленые линии – силовые линии магнитного поля, красная линия – траекториизондирующего и обратно рассеянного излучения, синяя фигура – СВЧ антенна

Реально в плазме токамака в качестве решетки выступают периодические возмущения коэффициента преломления, обусловленные флуктуациями плотности плазмы, а падающее и рассеянное излучение, в отличие от вакуумного случая, испытывают рефракцию и распространяются по криволинейным траекториям. Реализация метода требует создания сложных СВЧ схем зондирования плазмы, приема и анализа обратно рассеянного излучения. Адекватной является и система сбора и обработки экспериментальных данных. В создании и использовании таких схем на токамаках принимают участие студенты кафедры при подготовке бакалаврских и магистерских диссертаций. В результате обработки данных появляется возможность определять скорость вращения и регистрировать ГАМ, как колебания скорости вращения плазмы. Эксперименты, проведенные с использованием ДР, позволили обнаружить ГАМ на токамаках ТУМАН-3М, ФТ-2 и Глобус-М лаборатории физики высокотемпературной плазмы ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Были определены условия возникновения ГАМ, область их локализации в токамаке, спектральные характеристики.

Примеры спектров колебаний скорости, определенных как спектры колебаний допплеровского частотного сдвига на токамаках Глобус-М и ТУМАН-3М, приведены на рисунках. Видны выделенные спектральные пики, которые соответствуют частотам ГАМ для плазмы с ионами водорода и дейтерия. Эксперименты в данном направлении продолжаются. Одной из основных задач остается выяснение влияния ГАМ и зональных потоков на турбулентные возмущения плазмы и аномальный перенос.

Спектры допплеровского частотного сдвига для случая водородной (красная кривая) и дейтериевой (чёрная кривая) плазмы, полученные на токамаках :

spectres

 

Глобус-М

 

 

 

 

Туман-3М


По вопросам дипломной работы в данном направлении обращайтесь к Буланину Виктору Викторовичу

Некоторые публикации по этой тематике:

  • В.В. Буланин, С.В. Лебедев, Л.С.Левин, В.С. Ротерштейн, Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке ТУМАН 3М при наклонном падении зондирующего излучения// Физика плазмы, Т.26, No10, (2000), стр. 1-7
  • Leerink, V.V. Bulanin, A. D. Gurchenko et al, Multiscale Investigations of Drift-Wave Turbulence and Plasma Flows: Measurementsand Total-Distribution-Function Gyrokinetic Simulations //Physical Review Letters, PRL 109, 165001-4 (2012)
  • Yu. Yashin, V.V. Bulanin, V.K. Gusev et al, Geodesic acoustic mode observations in the Globus-M spherical tokamak // Nucl. Fusion 54 (2014) 114015
  • V. Bulanin, L.G.Askinazi, A.A.Belokurov, GAM observation in the TUMAN-3M tokamak // Plasma Phys. Control. Fusion 58 (2016)