Неустойчивости плазмы в зеркальных ловушках

Неустойчивости плазмы в зеркальных ловушках.

Мы рассмотрели удержание в зеркальных ловушках отдельных частиц с учетом их столкновений. Удержание плазмы не сводится к удержанию отдельных частиц‚ т.к. появляются коллективные взаимодействия‚ дающие возможность для возникновения неустойчивостей плазмы. Мы касались этого вопроса в §8‚ где рассматривали макроскопическую неустойчивость плазмы в токамаке. МГД - неустойчивости могут иметь место и в зеркальной ловушке. Кроме того‚ здесь возникает так называемые микроскопические и кинетические неустойчивости‚ обусловленные отличием функции распределения от максвелловской.

а) макронеустойчивости (МГД - неустойчивости)

В самой конфигурации зеркальной ловушки заложен недостаток: поле в поперечном сечении в зеркальной части ловушки падает с радиусом (силовые линии выпуклы наружу). Это значит‚ что плазма должна как диамагнетик выбрасываться на стенку. Однако это не так‚ т.к. выбрасывание должно происходить поперек силовых линий В. Поэтому плазма выбрасывается на стенки через механизм желобковой неустойчивости (конвективной). Напомним её механизм: пусть на поверхности плазмы возник выступ. Он сразу растечется вдоль В и образует “ребро” и желобки по бокам. При возникновении выступа он двигался поперек магнитного поля (флюктуация). При этом из-за силы Лоренца по разные стороны желобка возникнут разноименные заряды‚ т.е. возникает электрическое поле Е^В. В скрещенных полях как электроны‚ так и ионы движутся со скоростью

Vдр=.                                                                      (16.1)

Иначе говоря‚ вся плазма в ребре движется ^В‚ т.е. к стенке. В этом и состоит механизм наиболее грубой и опасной неустойчивости в зеркальной ловушке. В действительности механизм потерь несколько более сложный‚ т.к. вблизи металлической стенки Е закорачивается стенкой и выступ останавливается‚ потеряв не всю‚ а только часть своей плазмы. Вместо него из плазмы поступают более плотные выступы‚ загоняя предыдущие выступы‚ потерявшие часть плазмы‚ обратно внутрь ловушки. Этот процесс так называемой “турбулентной конвекции” был исследован Б.Б. Кадомцевым. Им найдено следующее выражение для времени жизни:

                 ‚                                                    (16.2)

где R - радиус кривизны силовых линий‚  - ларморовский радиус ионов‚ а - радиус ловушки‚ w_ic; w_ip - циклотронная ионная и плазменная частота.

Эта формула хорошо согласуется с экспериментом‚ дающим времена жизни в сотни раз меньше классического.

Очевидно‚ что при очень низкой плотности Е будет слишком мало на масштабе выступа и желобковая неустойчивость не возникает. Критическая плотность была найдена Кадомцевым. Она находится из критерия:

                 ‚                                                                           (16.3)

где  - дебаевская длина  .

Практически во всех термоядерных экспериментах‚ а тем более в реакторных условиях‚ критерий (16.3) удовлетворен‚ поэтому желобки - опасны.

Ввиду того‚ что токи через плазму в зеркальных ловушках не протекают‚ токовые неустойчивости (перетяжки‚ змейки‚ винт) здесь не возникают.