Введение к работе
і .
Актуальность темы.
Одним из важных приложений физики плазмы является проблема упрн вляемого термоядерного синтеза (УТС). Основное место в программе УТ<. занимает задача удержания плазмы магнитным полем. Наиболее перепек тивнымн с практической точки зрения являются тороидальные установки, такие как ТОКАМАК, стелларатор, пинч с обращенным полем. Существенную роль в их проектировании играют теоретические методы исследования неравновесной замагниченной плазмы [1].
Теоретическое описание динамики реальной замагниченной неравномс ной и неоднородной плазмы сталкивается с рядом существенных трудно стей. Часть из них обусловлена тем, что из-за слабости классических дис емпативных процессов в неравновесной разреженной плазме легко возни -кают разнообразные неустойчивости, приводящие к раскачке различного типа волн, т.е. к стохастическому состоянию плазмы [2]. В результате значительно увеличивается поперечная диффузия, теплопроводность, вязкость, падает проводимость. Другие существенные особенности определяются кулоновским характером столкновений. Столкновительная диссипация для быстрых сверхтепловых частиц при кулоновских соударениях ничтожно мала, так что в неравновесной плазме они легко набирают энергию [3]. В результате возникает особый канал диссипации энергии основной плазмы. При хорошем удержании быстрых частиц, их количество может значительно возрасти и тогда они внесут существенный вклад в процессы переноса.
Интерес к поведению плазмы в таких условиях связан с одной сторі ны с проблемой аномального переноса в разрядах, а с другой стороны с проблемой релаксированного состояния турбулентной плазмы.
Макроскопическое состояние плазмы уже при весьма малых амплитудах стохастических полей изменяется радикально [4]. Это приводит к аномально сильному переносу энергии на стенку разряда, который пре-пышает классический столкновительный перенос на несколько порядхов (5]. Именно аномальный перенос препятствует в настоящее время хорошему удержанию энергии в разряде и получению условий для проведения УТС.
Теория указывает на два возможных механизма аномального переноса. Один из них связан с турбулентностью, порождаемой потенциальными колебаниями электрического поля, возникающими при развитии дрейфовых неустойчивостей [6]. Другой механизм обусловлен турбулентностью, порождаемой магнитными флуктуациями 17]. Флуктуации магнитного ноля, после превышения порогового значения, приводят к стохастическому блужданию силовых линий магнитного поля по разряду и как следствие этого к переносу частиц, движущихся вдоль них.
Важно, чго несмотря на возбужденную турбулентность, плазма в тороидальных системах находится в стабильном, релаксированном состоянии [8, 9]. Причем в известном смысле такое состояние является устойчивым. Так например резкие исскуственные возмущения концентрации и температуры быстро выравниваются. Дело часто обстоит так, как будто система имеет заданный стабильный профиль тока, температуры и концентрации и при возмущении быстро релаксирует.
Основную роль в процессе релаксации играет турбулентность. МГД тур булентность эффективно возбуждается в тороидальной системе, если не выполнен критерий Крускаля-Шафранова [10]. В этом случае в системе существуют резонансные поверхности.
На них обращается в нуль скорость альфвенофских волн. Поэтому при наличии резонансных поверхностей в тороидальной системе могут существовать медленные моды, близкие к альфвеновским.
Динамика возбуждений, которая является существенно нелинейной, рассматривается обычно посредством численного моделирования, основанного на МГД приближении. Однако известно, что в турбулентной плазме изменяется сам вид уравнений МГД [1IJ. За пределами стандартного МГД приближенна остались и многие кинетические эффекты, играющие существенную, а иногда и главную роль в динамике разрядов. Это относится к распределению сверхтепловой компоненты плазмы. Поэтому корректное рассмотрение процессов в турбулентной плазме вообще говоря возможно только на кинетическом уровне.
Все это делает необходимым разработку последовательной кинетической теории турбулентной плазмы и процессов аномального переноса. Требует рассмотрения и вопрос о корреляционных свойствах МГД турбулентности, определяющих турбулентный перенос.
Целью работы является:
-
Развитие кинетической теории плазмы, находящейся в стохастических электромагнитных полях.
-
Теоретический расчет кинетических коэффициентов аномального пе-
реноса в турбулизоьаішой плазме.
3. Исследование корреляционных свойств МГД турбулентности в плаз
ме.
4. Анализ релексированного состояния турбулентной плазмы.
Научная новизна работы состоит в той, что
- Построена последовательная кинетическая теория релаксированного
состояния турбулентной плазмы и процессов аномального переноса.
-Получен новый механизм релаксации турбулентной плазмы. -Исследованы корреляционные свойства пространственно локализованной МГД турбулентности в плазме.
- На основе построенной теории получены коэффициенты аномально
го переноса в турбулентной плазме, описано релаксированное состояние
турбулентной плазмы, исследована динамика сверхтепловой компоненты
плазмы.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы:
для расчета коэффициентов аномального переноса в турбулентной плазме
для диагностики состояния турбулентной плазмы
для предсказания свойств релаксированного состояния турбулентной плазмы н условий его получения
Основные положення выносимые на защиту:
1. Построение последовательной кинетической теории турбулентной
плазмы, процессов аномального переноса и релаксированного состояния.
2. Разработка методики расчета коэффициентов аномального переноса
турбулентной плазме.
3. Построение теории кинетического механизма релаксации п турбу
ентной плазме.
4. Расчет распределения сверхтепловой компоненты турбулентной нляа
1Ы.
Апробация результатов.
Основные результаты работы представлены на на международной конференции по физике плазмы, Варениа, Италия, 1990, на 12 конференции ю нелинейной динамике, Берлин, Германия 1992, на семинаре группы ЕТ, Англия 1992, на 14 конференции по нелинейной динамике, Познань, Тольша 1993, на семинаре Института ионизованного газа, Падуя, Италия 993, доложены на семинарах Отдела Теоретической Физики и опубликованы в 4 научных статьях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, З^рисун-:ов, списка литературы из 9Цнаименования; содержит \19 страниц текста. Саждую главу завершает сводка основных результатов.
Личный вклад автора:
Автору принадлежит постановка конкретных теоретических задач, опре-іеление метода решения, получение конкретных результатов и их интер-іретация. Выбор научного направления и общая постановка задач осуще-твлены под руководством А.В.Гуревича.
