Um ein Plasma einzuschließen, soll der Plasmadruck niedriger sein als der magnetische Druck. Das Verhältnis des Plasmadrucks zum magnetischen Druck wird als Beta bezeichnet . Theoretisch sollte der Wert von Beta unter eins bleiben, um ein Plasma einzuschließen, kann sich ihm aber annähern. Aber in Tokamaks oder anderen magnetischen Einschlussvorrichtungen können diese Vorrichtungen nur mit Betas zwischen 1 % und 40 % betrieben werden.
Wann immer ich versuche herauszufinden, warum, weist jede einzelne Website jemals auf Plasmainstabilitäten hin. Aber das ist offensichtlich. Mich interessiert, was diese Instabilitäten verursacht und wie wir sie verhindern können. Wie stellen wir High-Beta-Confinement-Geräte her? Und auch das Internet scheint keinerlei Informationen zu diesem Thema zu bieten.
Welche Art von Instabilitäten verhindern also höhere Beta-Werte? Was verursacht sie und wie können wir ihnen vorbeugen?
Jede Hilfe wäre sehr willkommen. Danke
Wie @honeste_vivere sagte, bezieht sich Ihre Frage auf ein sehr breites Feld in der Fusionsforschung, nämlich die magnetohydrodynamische Stabilität (MHD) .
Sie haben im Wesentlichen zwei Fragen gestellt:
Schauen wir uns zuerst Frage 1 an : Im Allgemeinen gibt es zwei Dinge, die das Plasma-ß begrenzen, (a) die Gleichgewichtsgrenze und (b) die Stabilitätsgrenze .
Was (a) betrifft, so erfordert dies eine kleine Erklärung: Wie Sie wahrscheinlich wissen, benötigen Sie verdrillte Magnetfeldlinien in einem Torus, um Einschluss zu erhalten; Ein einfacher magnetisierter Torus, bei dem Sie ein reines Torusfeld haben, hat keine Begrenzung.
Der Grund, warum Sie diese Verdrillung benötigen, besteht darin, die Ladungsanhäufung aufzuheben, die in einem rein toroidalen Feld (aufgrund des diamagnetischen Stroms ) entstehen würde. Sie heben diese Ansammlungen auf, indem Sie die magnetischen Feldlinien so verdrehen, dass Bereiche positiver und negativer Ladungsansammlungen verbunden sind und somit Ströme fließen, um die Ansammlungen aufzuheben. Diese entlang der Magnetfeldlinien fließenden Ströme werden als Pfirsch-Schlüter-Ströme (PS-Ströme) bezeichnet und führen zu einer Verschiebung der Flussflächen nach außen (aufgrund des von den PS-Strömen erzeugten begleitenden Magnetfelds).
Diese als Shafranov-Verschiebung bezeichnete Verschiebung nimmt mit dem Plasmadruck und damit mit dem Plasma-ß zu (da höherer Druck höhere diamagnetische Ströme impliziert, also größere PS-Ströme, was zu einer größeren Verschiebung der Flussflächen führt). Wenn die Verschiebung gleich dem kleinen Plasmaradius ist, ist die Gleichgewichtsgrenze erreicht: Eine weitere Verschiebung der zentralen Flussflächen ist nicht möglich, da der kleine Plasmaradius die Grenze des Plasmas bezeichnet.
Bei (b) sehen Sie sich Instabilitäten an, die Ihr Plasma-ß begrenzen, was auch Ihre zweite Frage ist. Diese Instabilitäten werden normalerweise durch den Antrieb unterschieden, (a) getrieben durch einen Stromgradienten und (b) getrieben durch einen Druckgradienten . Offensichtlich sind die stromgetriebenen Instabilitäten nur für Tokamaks wichtig, bei denen ein großer Ringstrom im Plasma fließt, der erforderlich ist, um einen Teil des einschließenden Magnetfelds zu erzeugen.
Wenn Sie die Stabilitätsanalyse für die stromgetriebenen Instabilitäten durchführen, ist eines der Hauptergebnisse eine Grenze für den Plasmastrom, die sogenannte Kruskal-Shafranov-Grenze . Bei einem Tokamak ist es wichtig, diese Grenze nicht zu überschreiten, da Sie sonst eine Störung auslösen, die der plötzliche Verlust des Einschlusses ist, was zu einer großen mechanischen Belastung des Gefäßes (und aller angeschlossenen Komponenten) führt.
Limitierungen des Plasma-ß sind meist auf druckbedingte Instabilitäten zurückzuführen. Eine Möglichkeit, die Stabilität zu analysieren, besteht darin, das Gleichgewicht (die Flussoberflächen) zu deformieren und die resultierende Änderung der potentiellen Energie zu berechnen. Wenn die Änderung negativ ist und die potentielle Energie somit verringert wird, bedeutet dies Instabilität, während eine Zunahme der potentiellen Energie Stabilität gegen diese Verformung impliziert.
Da wir jetzt druckgetriebene Instabilitäten betrachten, deformieren wir den Plasmadruck. Wir berücksichtigen außerdem eine poloidale Variation der Verformung. Aufgrund des Unterschieds zwischen guter und schlechter Krümmung in einer toroidalen Einschlussgeometrie sind die Störungen auf der Niederfeldseite stärker und auf der Hochfeldseite kleiner. Diese Druckstörungen werden Ballonmoden genannt , und die Analyse ihrer Stabilität ergibt Kombinationen aus Druckgradienten und magnetischer Scherung (Änderung der Neigung des Magnetfelds mit dem Radius), was zu stabilen Konfigurationen führt.
Die Stabilitätsanalyse für die stromgetriebenen Instabilitäten erlegte dem Plasmastrom, wie zuvor erwähnt, einige Beschränkungen auf. Unter Verwendung dieser Einschränkungen zusammen mit dem Wissen über die Stabilität gegenüber Ballooning-Modi können wir die Profile von Plasmastrom und -druck betrachten, die das Plasma-ß maximieren. Dies ist dann die Stabilitäts-ß-Grenze .
ehrliche_vivere
Chandrahas
ehrliche_vivere