Синергетика плазмы в токамаках и других магнитных ловушках

К.А. Разумова

НИЦ «Курчатовский Институт» Москва, Россия, e-mail: [email protected]

После почти 60 лет исследований, проведенных на токамаке, у физиков осталось много необъясненных явлений и понимание того, что плазма всегда турбулентна.

Однако именно благодаря развитой турбулентности она обладает способностью к самоорганизации. Согласно развитой в середине прошлого века науке «синергетике» организованные структуры могут возникать, когда: 1. Система является термодинамически открытой, т.е. может обмениваться веществом и энергией со средой. 2. Динамические уравнения системы нелинейны. 3. Отклонения от равновесия превышает некоторую величину. 4. Макроскопические процессы происходят согласованно. Плазма магнитных ловушек удовлетворяет всем этим требованиям, Поэтому не удивительно, что мы наблюдаем возникновение макроскопически устойчивых хорошо организованных энергетических профилей в токамаках, стеллараторах и пинчах с обращенным полем. Эксперименты показали, что в токамаках и стеллараторах самоорганизация приводит к формированию канонического нормированного профиля давления, p_N(r) не зависящего от концентрации плазмы, распределения плотности тока внутри нее, механизма, величины и радиального распределения мощности дополнительного к омическому нагрева. Если ввести
r =r/(I_pR/kB)^1/2, профиль будет одинаковый для любого токамака. Здесь r-радиус плазмы, I_p - ток, В - продольное магнитное поле, k - коэффициент, характеризующий вытянутость сечения плазмы. Время восстановления профиля << энергетического времени жизни. Профиль существует везде, кроме зон транспортных барьеров. Он регулируется энергетическими потоками, связанными с аккумулированными на рациональных магнитных поверхностях турбулентными ячейками. Существование p_N(r) соответствует МГД устойчивой плазме. Искажение p_N(r) приводит к раскачке мод с низкими номерами.

Понимание саморегуляции профиля p_N(r) позволило объяснить такие сложные явления, как: 1) Различная величина теплопроводности, найденной из баланса мощностей и из скорости распространения импульса тепла или холода, 2) Очень быстрое изменение температуры или плотности в центральной части при изменениях на границе плазмы – нелокальную зависимость транспортных коэффициентов от параметров плазмы. Создалась непротиворечивая картина процессов в токамаке.

Очень эффектный пример самоорганизации получен на пинче с обращенным полем в Падуе. В этом случае продольное магнитное поле меньше полоидального поля плазмы (q=Br²/IR <1). При приближении q к единице возникают сильные МГД моды m/n=1/1 и m/n=2/1, но при дальнейшем росте тока вдруг происходит самоорганизация и возникает МГД устойчивая структура очень похожая на стелларатор с пространственной осью, типа TJ-II.

Эффекты самоорганизации наблюдаются также на установках LDX и LATE.

Явление самоорганизации, синергетики в плазме магнитных ловушек требует серьезного теоретического рассмотрения, чего пока нет. Правильное понимание этих механизмов продвинет нас в создании термоядерного реактора.