Генерація потоку енергії досередини плазми альфвенівськими власними модами, збудженими неоднорідністю плазми

 

А. В. Тихий, Я. І. Колесниченко

 

Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, Україна

 

Нещодавно було показано, що, коли резонансна швидкість взаємодії «частинка-хвиля» перевищує теплову швидкість частинок, альвенівські щілинні моди, пов’язані з тороїдальністю (TAE), еліптичністю (EAE) та ін., можуть бути нестійкими навіть у відсутності джерел енергійних іонів, таких як інжекція нейтральних пучків [1]. Фізика цього явища полягає у різкому зростанні дестабілізуючого впливу градієнту температури іонів, коли резонансна швидкість перевищує теплову. У стелараторах, такі резонансні швидкості існують завдяки наявності неосесиметричних резонансів, передбачених у [2]. Коли радіальний профіль температури іонів плаский у центрі, але має великий градієнт на периферії плазми, дестабілізована мода може передавати енергію з периферії до центру плазми, тобто потужність, що поглинається модою у нестійкій області, нагріває плазму у стійкій області при менших радіусах. Цей механізм дестабілізації може проявлятися і приводити до доцентрового просторового каналювання енергії іонів у відносно вузькій за радіусом області плазми у експериментах на стелараторі Wendelstein 7-X, в яких спостерігалися довготривалі високочастотні коливання [3].

Показано, що дестабілізація власних мод у плазмі обмеженого об'єму супроводжується генерацією радіального потоку енергії, причому радіальний розподіл потоку залежить від інкременту нестійкості. Для прикладу, штучно варіюючи температуру іонів у центрі плазми Wendelstein 7-X від T(0) ~ 2 кеВ (що відповідає першій експериментальній кампанії) до T(0) = 5-10 кеВ, було показано, що густина потоку енергії при незмінній амплітуді EAE-моди, розглянутої у [1], зростає майже на два порядки: потік енергії через поверхню максимального локального інкременту збудження зростає від P ~ 0.05 МВт до P ~ 1 МВт. Оцінки на основі даних по базовому сценарію ITER зі струмом плазми 15 МА показують, що при очікуваній TAE-нестійкості з інкрементом γ/ω ~ 0.01, локалізованій поблизу половини малого радіуса, там може виникати потік такого ж порядку величини P ~ 1 МВт.

Слід відзначити, що доцентрове просторове каналювання також може забезпечувати перенесення енергії термоядерних альфа-частинок швидкими магнітозвуковими хвилями з частотами, що лежать над циклотронною частотою альфа-частинок [4].

Розглянута нестійкість може впливати на параметри плазми у Wendelstein 7-X і заслуговує на подальші експериментальні та теоретичні дослідження. Ця мода також може відігравати роль у інших стелараторах – LHD, TJ-II, H-1, U-3M та інших [5-8].

Робота частково підтримана коштами проекту УНТЦ-НАНУ №6392 та коштами бюджетної програми «Підтримка розвитку пріоритетних напрямків наукових досліджень» (КПКВК 6541230).

 

[1] Ya.I. Kolesnichenko, A.V. Tykhyy, Phys. Letters A 382 (2018) 2689.

[2] Ya.I. Kolesnichenko, V.V. Lutsenko, H. Wobig, Yu.V. Yakovenko, Phys. Plasmas 9 (2002) 517.

[3] T. Windisch et al., Plasma Phys. Contr. Fusion 59 (2017) 105002.

[4] Ya.I. Kolesnichenko, V.V. Lutsenko, M.H. Tyshchenko, H. Weisen, Yu.V. Yakovenko, and JET Contributors, Nucl. Fusion 58 (2018) 076012.

[5] K. Toi et al., Plasma Phys. Contr. Fusion 53 (2011) 024008.

[6] R. Jiménez-Gómez et al., Nucl. Fusion 51 (2011) 033001.

[7] M.J. Hole et al., Plasma Phys. Control. Fusion 59 (2017) 125007.

[8] M.B. Dreval, Yu.V. Yakovenko, E.L. Sorokovoy et al., Phys. Plasmas 23 (2016) 022506.