модификация плазмы токамака под действием тороидально несимметричных возмущений магнитного поля

В настоящее время широко ведутся исследования по модификации параметров плазмы при включении резонансных магнитных возмущений. Это тороидально-несимметричные дополнительные магнитные поля, с радиальной компонентой на 4 порядка меньше, чем основное поле в токамаке. Такие магнитные возмущения будут использованы в ИТЭР для подавления неустойчивостей в транспортном барьере, локализованном на границе плазмы и определяющем ее характеристики во всем токамаке. Эти неустойчивости не только меняют параметры плазмы в барьере, но и приводят к неприемлемой с конструктивной точки зрения неравномерной во времени и пространстве тепловой нагрузке на дивертор. Экспериментальные данные с токамаков DIII-D, ASDEX-Upgrade, MAST, NSTX и других свидетельствуют о существенной модификации пристеночной плазмы дополнительными малыми магнитными полями при точном выборе их периодичности: “резонансности” по отношению к магнитной структуре вблизи сепаратрисы. Замечено изменение полоидального и тороидального вращения плазмы, радиального электрического поля, уменьшение градиента концентрации плазмы (т. н. эффект откачки) в транспортном барьере. Вращение плазмы в этой области и в этом режиме особенно важно, поскольку оно определяет возможность существования самого транспортного барьера при включении магнитных возмущений и эффективность механизма откачки плазмы, ведущей к исчезновению неустойчивостей.

В то же время есть экспериментальные указания на экранирование плазмой резонансных возмущений магнитного поля.

На кафедре физики плазмы разрабатывается аналитическая модель, описывающая согласованное поведение плазмы и резонансных магнитных возмущений в плазме при включении внешнего возмущения магнитного поля. Эта модель основана на понятии о компенсации электронного тока, вызванного стохастизацией магнитного поля при включении его резонансных возмущений, ионным током, определяемым неоклассической теорией. Согласованно происходит уход из плазмы ионов и электронов, что ведет к наблюдаемому в эксперименте эффекту откачки. На основе аналитической модели был модифицирован код B2SOLPS5.2(ссылка) и впервые в мире промоделирован эффект откачки. Предложено объяснение изменению радиального электрического поля и вращения плазмы. В случае если эффективная электронная проводимость в стохастическом магнитном поле превышает порог, определяемый неоклассической теорией, то электрическое поле должно поменяться на больцмановское для электронов.

Похожая модель создана для распределения потоков и полей в окрестности отдельного магнитного острова. (Магнитные острова появляются в плазме токамака как всилу развития неустойчивостей, так и при наложении внешнего возмущения магнитного поля соответствующей периодичности.)

Отдельно разработана модель, описывающая эффективный механизм экранирования резонансной составляющей магнитного поля в плазме периодическими электронными токами, направленными вдоль суммарного магнитного поля. Работа в этом направлении была поддержана результатами моделирования отклика плазмы на резонансные магнитные возмущения, проведенного группой ИТЭР (М. Becoulet и др.).

mast pump-outRMP

Радиальный профиль концентрации электронов в токамаке MAST— моделирование эффекта откачки кодом B2SOLPS5.2. Схема структуры полей вблизи вращающегося магнитного острова. Структура экранирующих токов при включении резонансных магнитных возмущений – результаты моделирования кодом JOREK(F. Orain, M. Becoulet и др.)

По вопросам дипломной работы в данном направлении обращайтесь к Владимиру Александровичу Рожанскому

Некоторые публикации по этой тематике:

1) E Kaveeva, V Rozhansky and M Tendler. Interpretation of the observed radial electric field inversion in TUMAN-3M tokamak during MHD-activity // Nuclear Fusion — 2008 – Vol.48 075003

2) V. Rozhansky, E. Kaveeva, P. Molchanov, I. Veselova, S. Voskoboynikov, D. Coster, A. Kirk, S. Lisgo, E. Nardon. Modification of the edge transport barrier by resonant magnetic perturbations // Nuclear Fusion – 2010 – Vol. 50 034005

3) E.Kaveeva and V.Rozhansky. Screening of resonant magnetic perturbations taking into account a self-consistent electric field // Nuclear Fusion -2012- vol 52 054011

4) M. Becoulet, F. Orain, P. Maget, N. Mellet, X. Garbet, E. Nardon, G.T.A. Huysmans, T. Casper, A. Loarte, P. Cahyna, A.Smolyakov, F.L.Waelbroeck, M. Schaffer, T. Evans, Y. Liang, O. Schmitz, M. Beurskens, V. Rozhansky and E. Kaveeva. Screening of resonant magnetic perturbations by flows in tokamaks// Nuclear Fusion — 2012- vol 52 054003

5) E Kaveeva and V Rozhansky. When poloidal rotation in a tokamak remains neoclassical in the presence of resonant magnetic perturbations// Plasma Physics and Controlled Fusion – 2014 — 56 125015