Введение.
5
Глава 1. Литературный обзор........................................12
1.1. Особенности поведения пристеночной плазмы..................13
1.1.1. Вводные замечания.....................................13
1.1.2. Роль электростатических и магнитных флуктуаций в усилении аномального переноса..........................17
1.1.3. Механизмы турбулентности пристеночной плазмы..........19
1.2. Модификация турбулентности периферийной плазмы.............25
1.2.1. Роль радиального электрического поля в режимах улучшенного удержания................................ 27
1.2.2. Формирование электрических полей в периферийной плазме.................................................31
1.3. О влиянии повышенной электронной эмиссии на
параметры пристеночной плазмы и их уровень флуктуаций...........37
1.3.1. Образование диэлектрических покрытий на поверхностях внутренних конструкционных элементов ТЯУ 40
1.3.2. Влияние вторичной электронной эмиссии на параметры пристеночной плазмы и устойчивость дебаевских слоев..................................................47
Выводы к главе 1................................................51
Глава 2. Описание экспериментальной установки, систем диагностики и разрядных режимов....................................53
2.1. Описание разрядной камеры, систем откачки
и газонапуска...................................................53
2.2 Коллекторные устройства.....................................55
2.3. Диагностические средства установки ПР-2....................58
2.3.1. Измерение токов и напряжений..........................59
2.3.2. Измерение концентрации плазмы и
электронной температуры. ....................................59
2.3.3. Измерение флуктуационных характеристик
плазмы.......................................................62
2.4. Описание разрядного режима.................................66
Глава 3. Описание экспериментов на ПР-2 в режиме ППР
с применением коллекторного устройства с одной
приемной пластиной................................................ 70
3.1. Вводные замечания. .......................................70
3.2. Измерение аномальных вольт-амперных
характеристик приемных пластин..................................73
3.2.1. ВАХ приемных пластин из алюминиевого сплава
2
в аргоновой плазме..........................................73
3.2.2. ВАХ приемных пластин из алюминиевого сплава
в водородной плазме.........................................75
3.2.3. ВАХ приемных пластин из вольфрама
в аргоновой и водородной плазме.............................76
3.2.4. ВАХ приемных пластин из графита в аргоновой
и водородной плазме.........................................78
3.2.5. ВАХ приемных пластин из вольфрама
с найыленной графитовой пленкой в аргоновой и водородной плазме....................................79
3.3. Объяснение аномального поведения вольт-амперных характеристик................................................83
3.3.1. Измерение зависимости интегрального коэффициента вторичной электронной эмиссии от потенциала
приемной пластины...........................................84
3.3.2. Расчет скорости роста оксидных пленок на поверхности алюминиевой приемной пластины..............87
3.3.3. Моделирование аномальных вольт-амперных характеристик..........................................98
3.4. Неустойчивые режимы взаимодействия плазмы с поверхностью коллекторов с аномальными ВАХ....................104
3.4.1. Режимы ВЧ-колебаний..................................104
3.4.2. Анализ электрической схемы цепи приемной
пластины на устойчивость....................................106
3.4.3. Моделирование неустойчивых режимов...................110
3.5. Влияние неустойчивого плазменно-поверхностного взаимодействия на параметры плазмы. .........................115
3.5.1. Вводные замечания....................................115
3.5.2. Радиальные распределения электронной температуры
Те и плотности плазмы п.....................................117
3.53. Уровень фл^1п>щиа шш»снных параметров.................118
3.5.4. Корреляционные характеристики плазменных флуктуаций и коэффициенты аномальной диффузии.........120
3.5.5. Пространственные распределения радиальных электрических полей...................................123
Выводы к главе 3................................................126
Глава 4. Описание экспериментов натокамаке Т-10...................129
4.1. Условия и схема эксперимента...............................130
4.2. Результаты эксперимента....................................133
Выводы к главе 4................................................138
Глава 5. Описание экспериментов на ПР-2 в режиме ПИР с применением коллекторного устройства с двумя приемными пластинами...............................................140
5.1. Схема эксперимента с составным коллектором.................140
5.2. Измерение вольт-амперных характеристик.....................144
5.3. Развитие неустойчивого режима..............................147
5.4. Влияние неустойчивого плазменно-поверхностного
взаимодействия в экспериментах с коллекторным устройством
с двумя приемными пластинами на параметры плазмы. .............152
5.5. Влияние неустойчивого плазменно-поверхностного
взаимодействия в экспериментах с коллекторным устройством
с двумя приемными пластинами на параметры плазмы................157
Выводы к главе 5................................................161
Заключение.........................................................163
Литература.........................................................165
4
ВВЕДЕНИЕ.
Аномальный радиальный транспорт частиц и энергии в периферийной плазме тороидальных установок термоядерного синтеза часто связывается с флуктуациями плотности, температуры и электрического потенциала.
Граничную плазму можно подразделить на две области: область внутри последней замкнутой магнитной поверхности (last closed magnetic surface (LCMS)), связанная с центральной плазмой и область снаружи LCMS, часто называемая scrape-off layer (SOL). Основной особенностью SOL является наличие силовых линий магнитного поля, ограниченных материальными поверхностями (лимитерами и диверторными приемными пластинами). Положение LCMS определяется либо магнитной сепаратрисой, либо положением лимитеров.
Плазма попадает в SOL из центральных областей плазменного шнура в результате радиальной диффузии (обычно обусловленной аномальным транспортом). Здесь она может легко вытекать вдоль магнитных силовых линий на поверхность приемных пластин, которые являются стоками энергии и частиц. У поверхности приемных пластин формируются электростатические слои объемного заряда, приводящие к скачку потенциала между плазмой и пластинами. Потоки частиц и энергии, а также электрический ток на поверхность обращенных к плазме элементов взаимосвязан с распределением плотности, температуры и потенциала плазмы SOL. Такая взаимосвязь выражается уравнениями, описывающими условия существования приповерхностного слоя. В SOL радиальный перенос частиц и энергии вместе с параллельными потоками этих же
5
параметров на приемные пластины определяют радиальные профили плазменных плотности и температуры.
Таким образом, радиальный транспорт в SOL определяет профиль распределения мощности на приемные пластины. Поэтому понимание механизмов, ответственных за перенос в этой области плазменного шнура, является весьма важным для нормального функционирования всего термоядерного реактора.
Существенное влияние условий на приемных пластинах на развитие плазменных неустойчивостей, которые могут вызывать аномальный перенос, общепризнанно. Из-за ограниченного сопротивления приповерхностных слоев и наличия поперечных градиентов плотности и температуры плазмы в SOL силовые магнитные трубки, выходящие на разные участки поверхности приемных пластин, могут заряжаться до различных электрических потенциалов, приводя к образованию градиента потенциала в плазме SOL, что может являться причиной развития ее неустойчивостей. Наибольшее влияние на распределение потенциала и температуры в плазме, при прочих равных условиях, может оказывать повышенная электронная эмиссия с поверхности приемных пластин, которая приводит к изменению пристеночного скачка потенциалов. Основными механизмами повышенной электронной эмиссии в SOL являются термоэмиссия и вторичная эмиссия под действием бомбардирующих поверхность приемной пластины частиц из плазмы.
В работе рассматривается влияние повышенной вторичной электронной эмиссии на режимы плазменно-поверхностного взаимодействия. Работа проведена на имитационной установке ПР-2, где проводилось экспериментальное исследование влияния вторичной эмиссии на распределение плазменных параметров и процессы поперечного
6
переноса и на токамаке Т-10, где исследовалось влияние вторичной эмиссии на вольт-амперные характеристики (ВАХ) приповерхностного слоя в условиях плазмы SOL.
Диссертация состоит из введения и пяти глав. В первой главе изложены основные представления о механизмах неустойчивостей в плазме SOL, приводящих к аномальному переносу, и способы модификации плазменной турбулентности путем создания радиальных электрических полей с помощью электродных, лимитерных и диверторных схем. Также в главе 1 рассматриваются возможность образования на внутренних конструкционных элементах камер диэлектрических покрытий (оксидных и алмазоподобных слоев), которые обладают высокими эмиссионными свойствами, и влияние вторичной эмиссии на характеристики плазмы SOL.
Вторая глава посвящена описанию имитационной установки ПР-2 и использованных в работе средств диагностики плазмы. Особенности плазменно-поверхностного взаимодействия в работе изучались с использованием пучково-плазменного разряда (1И IP), создаваемого в разрядной камере установки ПР-2. Основными диагностическими средствами являлись разнообразные зондовые методики, позволяющие определять плотность плазмы, электронную температуру, флуктуационные характеристики плазмы, коэффициенты переноса.
В главе 3 проведено описание экспериментов, проведенных на имитационной установке ПР-2, по исследованию особенностей взаимодействия плазмы с поверхностями, обладающими сильно различающимися эмиссионными свойствами. Проведенные исследования позволили установить, что экспериментально измеренные ионные ветви
7
ВАХ приемных пластин, на поверхности которых возможен рост диэлектрических слоев (алюминиевые сплавы, вольфрам, графит), имеют аномальный вид с И-образным участком. Такими диэлектрическими покрытиями являются оксидные пленки на поверхности А1 и XV пластин, а также графитсодержащие слои на поверхности XV и графитовых пластин. Аномальность ВАХ является результатом повышенной вторичной электрон-электронной эмиссии под действием электронов, инжектируемых в разрядную камеру электронной пушкой установки, и ион-электронной эмиссии под действием ускоренных в приповерхностном плазменном слое ионов. В случае отсутствия на поверхности приемных пластин диэлектрических покрытий зависимости тока 1с на пластины от ее потенциала ис имеют классический, монотонный характер.
Изменение отрицательного потенциала приемных пластин приводит к изменению режимов плазменно-поверхностного взаимодействия. Наблюдались устойчивый. и неустойчивый режимы плазменноповерхностного взаимодействия, что определяется расположением на аномальной ВАХ точки пересечения ВАХ и нагрузочной прямой внешнего источника электрической энергии. При неустойчивом режиме в электрической цепи приемных пластин наблюдаются ВЧ-колебания (£>1 МГц). Развитие неустойчивости в приповерхностных дебаевских слоях оказывает существенное влияние на параметры плазмы (температура, плотность, электрические поля), их пространственные распределения, уровень плазменной турбулентности и коэффициенты переноса.
В главе 4 приводятся экспериментальные данные, полученные на установке Т-10 по исследованию влияния повышенной электронной эмиссии на свойства приповерхностных слоев. В качестве приемных пластин использовалась поверхность ленгмюровских зондов.
8
Эксперименты показали, что в плазме SOL установки Т-10 ионные ветви зондовых характеристик могут иметь аномальный N-образный вид, аналогичный, наблюдаемым на имитационной установке ПР-2 вольт-амперным характеристикам приемных пластин с повышенной эмиссией. Было сделано предположение, что N-образные участки являются результатом влияния повышенной вторичной электронной эмиссии с диэлектрических слоев, образующихся на поверхности зондов во время разрядного импульса в результате перенапыления материалов внутренних элементов камер (главным образом, графитовой диафрагмы). Аномальные участки проявляются только на ВАХ зондов, расположенных на расстояниях больших 5 см от края диафрагмы. Следовательно, на внутренних элементах камеры, находящихся в тени диафрагмы, возможно присутствие зон с различными эмиссионными свойствами, что может приводить к дополнительным изменениям пространственных распределений параметров плазмы SOL.
В пятой главе рассматриваются результаты моделирования взаимодействия плазменных потоков с поверхностями с различной эмиссионной способностью. Эксперименты проводились на установке ПР-2 с одновременным использованием двух короткозамкнутых приемных пластин из различных материалов (графита и алюминия). Было обнаружено, что при определенных условиях, зависящих от ускоряющего напряжения пушки и соотношения площадей пластин, происходит развитие плазменно-поверхностной неустойчивости без источника внешнего электрического смещения. Эти условия определяются точкой пересечения ВАХ двух приемных пластин, неустойчивость развивается когда такая точка расположена на падающем участке N-образной ВАХ приемной пластины с повышенной эмиссией. Неустойчивость в
9
приповерхностных слоях двух пластин приводит к существенному росту
уровня плазменных шумов в низкочастотной области спектра (£<100 кГц).
Плазменные флуктуации индуцируют значительные турбулентные потоки
поперек магнитного поля. Значение турбулентного коэффициента
/* 0 1
диффузии в неустойчивых режимах достигает 10 см с' , что на порядок превышает бомовский коэффициент диффузии.
На защиту выносятся следующие, содержащие научную новизну результаты:
1. Результаты экспериментального измерения на имитационной установке ПР-2 аномальных И-образных вольт-амперных характеристик приемных пластин, на поверхности которых возможен рост диэлектрических слоев с повышенной электронной эмиссией - оксидных пленок на поверхности А1 и \У пластин, а также графитсодержащих слоев на поверхности и графитовых пластин.
2. Результаты экспериментального определения и моделирования условий развития неустойчивых режимов в приповерхностных слоях приемных пластин с повышенной электронной эмиссией при плазменноповерхностном взаимодействии на установке ПР-2.
3. Экспериментальные результаты по исследованию влияния неустойчивости в приповерхностных слоях высоко эмиссионных приемных пластин на параметры плазмы и процессы переноса на установке ПР-2.
4. Результаты экспериментального измерения аномальных И-образных зондовьгх характеристик в пристеночной плазме токамака Т-10.
5. Результаты экспериментального определения и моделирования условий неустойчивого протекания электрического тока между приемными пластинами, обладающими сильно различающимися эмиссионными
ю
свойствами, и экспериментального исследования влияния такой неустойчивости на процессы поперечного переноса в плазме ПР-2.
Результаты работы были доложены на международных и всероссийских конференциях, в том числе:
ХХП, ХХГП, XXV Европейских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (1995) Борнмут, (1996) Киев, (1998) Прага;
XII Международной конференции по взаимодействию плазмы с поверхностью в установках термоядерного синтеза (1996) Сан-Рафаэль;
XXIII Международной конференции по физике ионизованных газов (1997) Тулуза;
IV Международной школе по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (1995) Валдай;
Российско-японском семинаре по взаимодействию топливных частиц с материалами термоядерных реакторов (1996) Обнинск;
XXII, ХП1 Всероссийских конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью (1995, 1997) Звенигород;
XII, XIII, XIV, XV Всероссийских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (1995, 1996, 1997, 1998) Звенигород.
п
Глава 1. Литературный обзор.
Проблема взаимодействия горячей плазмы со стенкой термоядерного реактора была поставлена уже в первых работах по теории магнитного удержания плазмы [1-4].
В последние годы обсуждаются два аспекта проблемы взаимодействия плазмы со стенкой, а также явлений в пристеночной плазме:
- воздействие плазмы на стенку;
- влияние стенки на параметры пристеночной плазмы.
Появление второго аспекта плазменно-поверхностного
взаимодействия связано с обнаружением режимов работы токамаков с улучшенным удержанием плазмы (режимы Н [5,6,7], Super Shot (SS) [8], VH [9] и ряд других). В рамках данной работы представляется важным кратко указать особенности Н-режима и его основные отличия от обычных режимов удержания плазмы (так называемой L-моды).
Отличительные особенности Н-режима горения разряда от L-режима следующие. Переход в такой режим из L-моды обычно наблюдается при дополнительном нагреве плазмы после превышения некоторого порога мощности. При этом времена удержания энергии и частиц в Н-моде могут значительно превышать аналогичные времена для L-режимов. Температура и плотность плазмы в центральной части шнура существенно возрастают. Характерная особенность Н-режимов состоит в том, что после L-H перехода формируется очень крутой градиент плотности на границе плазмы и профиль плотности существенно отличается от профиля в L-режиме. Изменения профиля температуры при L-H переходе менее
12
выражены, но основные изменения также наблюдаются на периферии плазменного шнура.
Физика, лежащая в основе режимов улучшенного удержания, пока еще полностью не ясна, но т.к. наибольшие изменения различные плазменные параметры претерпевают в области периферии плазменного шнура общепризнанно, что в получении таких разрядов одну из главных ролей играют процессы, протекающие в периферийной плазме [10], и в частности из-за влияния стенки [11,12].
Некоторые явления имеющие место в пристеночной плазме, в частности протекающие в результате плазменно-поверхностного взаимодействия, и определяющие режимы горения плазменного разряда в современных термоядерных установках будут рассмотрены в разделах данной главы.
1.1. Особенности поведения пристеночной плазмы.
1.1.1. Вводные замечания.
Пристеночная плазма термоядерных установок - это область плазменного шнура, свойства которой определяются присутствием радиального лимитера (в установках с лимитерной конфигурацией) или магнитной сепаратрисы (в установках с диверторной конфигурацией). В обеих конфигурациях край лимитера или сепаратриса определяют положение, так называемой, последней замкнутой магнитной поверхности (Last Closed Flux Surface (LCFS)). Магнитные поверхности, расположенные вблизи сепаратрисы внутри LCFS (edge plasma), замкнуты. Снаружи LCFS магнитные силовые линии, напротив, открыты. Они упираются в
13
различные материальные поверхности: диверторные приемные пластины, лимитеры, диафрагмы. Эту область плазменного шнура обычно называют SOL (Scrape-off Layer region). Ширина SOL является важной характеристикой термоядерных установок.
Заряженные частицы и энергия из центральной плазмы за счет поперечной диффузии через сепаратрису попадает в область SOL. Здесь они очень быстро (со скорость порядка скорости звука Vs) уходят вдоль силовых линий магнитного поля на нейтрализующие поверхности. Глубина проникновения плазмы в радиальном направлении за время движения вдоль силовых линий определяет уровень потерь частиц и энергии из центральных областей плазменного шнура и, соответственно, степень удержания плазмы. Кроме того, увеличение ширины SOL приводит к росту тепловых нагрузок на приемные пластины, что может вызывать их повышенную эрозию и увеличение объема поступающих в центральные области разряда примесей.
Расчеты, сделанные на основе классических и неоклассических законов движения частиц в магнитном поле тороидальной конфигурации [13], показывают, что характерный размер ширины SOL сравним с величиной ионного ларморовского радиуса. Однако, измеренная на многих установках, в частности на ASDEX [14], TEXT [15], TFTR [16], длина спада плотности плазмы значительно превышала ларморовский радиус и составляла величину 1-^-2 см. При этом измеренные коэффициенты поперечной диффузии были порядка или превышали бомовский диффузионный коэффициент. Анализ экспериментальных данных показал, что процессы поперечного переноса носят аномальный характер. В настоящее время считается, что причиной такого аномального транспорта является повышенная турбулентность пристеночной плазмы [10,17].
14
Поэтому физика, лежащая в основе повышенной турбулентности плазмы в термоядерных установках остается одной из ключевых задач в исследованиях осуществления термоядерного синтеза в магнитных системах.
Сильная турбулентность пристеночной плазмы была обнаружена с помощью ленгмюровских зондов еще в первых экспериментах на токамаках [18]. Все последующие экспериментальные данные подтверждают, что высокий уровень флуктуаций плазменных параметров на периферии плазменного шнура является закономерностью.
Для случаев классического и неоклассического транспорта потоки частиц Г и энергии О описываются надежно определяемыми коэффициентами переноса (теплопроводности хпсо, диффузии Эпео и др.) и градиентами плотности п, температуры Те, Т*, электрического поля Е, эффективного заряда Z^. Эти потоки модифицируют профили плазменных параметров до тех пор, пока не будет достигнуто квазистационарное состояние. Такой процесс схематически можно представить следующим образом:
(Г, О) (Те, Ть п, УТе, УТЬ Уп, УЕ, У^т ...)------------> (Г, О) .
пео ^ пео X »В
В случае же аномального переноса описание потоков значительно сложнее. Локальные профили и средние значения параметров плазмы могут вызывать неустойчивости. В результате нелинейного взаимодействия различных неустойчивых мод происходит уширен ие турбулентного спектра. Это приводит к увеличению потоков энергии и частиц в зависимости от корреляционных и фазовых соотношений между взаимодействующими модами. Поток частиц Г(г) и поток энергии (3(г) для случая электростатических флуктуаций определяются соотношениями:
15
Г(г) = { п(гД) УЕхВ(г,0) = (1/В2) (п(гД) Е(гД)хВ(гД)),
0(г) = 3/2 ( п(гД) Унхв(гД) [Тс(гД)+Т,(гД)] >, где угловые скобки означают усреднение по времени ^ г - радиальная координата, Уе*в - дрейфовая скорость.
Аналогично случаю неоклассического переноса, аномальный транспорт можно представить схемой:
(Г, О) -> (Те, Ть п, УТе, УТ„ Уп, УЕ, У2е(г, ...) -► (п е,Тс, <р,...) -»■ (Пе(<о,к), Те(т,к), ф(м,к), (Г, О) .
В виду сложности описания процессов, связывающих градиенты
плазменных параметров с потоками, эту схему часто упрощают, заменяя нелинейное взаимодействие турбулентных плазменных пульсаций
некоторыми “эффективными коэффициентами переноса” Э , %*п и
другими, которые обычно определяются экспериментально.
Экспериментально измеренные значения коэффициентов переноса частиц и энергии в токамаках значительно превышают предсказания неоклассической теории. Например, вследствие турбулентных флуктуаций плотности, температуры, электрического потенциала ионная
теплопроводность на прядок превышает неоклассическое значение Х1ПС°, а электронная составляет Хе ~ Ю1Хепео. Поэтому хорошее описание уровня флуктуации и результатирующего транспорта - основа для предсказания удерживающих свойств термоядерных установок.
16
1.1.2. Роль электростатических и магнитных флуктуаций в усилении аномального переноса.
Для надежного описания аномального переноса сначала необходимо определить вклад различных типов флуктуаций в степень турбулизации пристеночной плазмы. Какими являются турбулентные флуктуации -электростатическими или магнитными?
измеренные в пристеночной плазме на разных установках, показывают, что их уровень очень высок: на установке CALTECH уровень флуктуации составлял «50% [19], LIBTOK - «30% [20], TEXT - «40% [21], РВЕ-М -«30% [22], ASDEX - «30-60% [23]. В то же время уровень флуктуаций магнитного поля в отсутствие МГД-мод (пилообразные колебания, фишбон неустойчивости, тиринг-моды и другие) составлял величину
между флуктуациями различных типов и удержанием на установках CALTECH, TEXT, ASDEX, TOSCA, DITE. Была обнаружена взаимосвязь между электростатическими флуктуациями и удержанием частиц. Корреляционная связь также наблюдалась и между транспортными свойствами плазмы и магнитными пульсациями, вызванными проявлением МГД-активности. Однако, между турбулентными пульсациями магнитного поля и переносом, корреляция много меньше. К тому же не обнаружено влияния пристеночных флуктуаций магнитного поля на центральное удержание.
Флуктуации плотности
и потенциала плазмы
порядка
проведено изучение корреляции
17
На основании анализа этих данных можно сделать следующий вывод. В случаях сильной МГД-активности магнитные флуктуации играют важную роль в процессе удержания плазмы. Но в отсутствие повышенной МГ Д-активности основной вклад в поперечный перенос вносят электростатические флуктуации. Имеются доказательства корреляции между флуктуационным спектром и те, а также L-H переходами; особенности проявления пристеночного удержания хорошо описываются электростатическими флуктуациями. Доказательства влияния магнитных флуктуаций значительно более косвенные или отсутствуют.
До недавнего времени описание электростатических флуктуаций и индуцируемого ими транспорта проводилось в пренебрежении флуктуациями электронной температуры. Однако, в последние годы в связи с появлением и развитием новых методик зондовой диагностики [13,14] был обнаружен повышенный уровень флуктуаций температуры в пристеночной плазме [24,25,26,27,28]. В частности, на токамаке TEXT [24] уровень флуктуаций Те был всего в два раза ниже уровня флуктуаций
1~ /
плотности ( «О.5 у ), на токамаке TJ-I [26] и стеллараторе W7-AS
температуры на повышенный поперечный транспорт может быть также существенным и поэтому его необходимо учитывать при описании пристеночной турбулентности.
[28]
данные показывают, что влияние флуктуаций
18
1.1.3. Механизмы турбулентности пристеночной плазмы,
Понимание природы аномального переноса в периферийной плазме связано с определением механизмов повышенной плазменной турбулентности. В последнее время, когда физика перехода к режимам улучшенного удержания плазмы отождествляется с процессами в периферийной плазме, было предложено несколько механизмов развития турбулентности в данной области плазменного шнура. Основными предпосылками развиваемых моделей являются характерные особенности пристеночной плазмы: значительные градиенты плотности, температуры и потенциала плазмы, наличие большого количества нейтрального газа, присутствие материальных поверхностей (лимитеров, диафрагм, диверторных пластин), ограничивающих плазменные потоки. Другим параметром, определяющим механизм турбулентности пристеночной плазмы является соотношение между уровнями диссипации энергии в объеме плазмы и на поверхности приемных пластин. Некоторые модели связывают природу турбулентности с диссипацией, вызванной флуктуационными токами, текущими через пристеночный слой падения потенциала, другие - с диссипацией в объеме из-за кулоновских столкновений. Параметр, определяющий преобладание того или иного механизма в простейшем случае записывается следующим образом [29] а=(Ше/т()1/2Ь/Хе, где т*, т* - массы электрона и иона, А* - длина свободного пробега относительно кулоновских столкновений, Ь - длина, О1раниченной материальными поверхностями, силовой линии магнитного поля. Фактически, а определяет отношение падения потенциала вдоль силовой линии к падению в дебаевском слое в отсутствие тока на поверхность. При а«1 преобладает диссипация на поверхности, при а»1 - в объеме.
19
Рассмотрим основные виды неустойчивостей, привлекаемых для объяснения турбулентности пристеночной плазмы.
Идеальные и резистивные баллонные и дрейфовые неустойчивости.
Эти виды неустойчивостей, связанные с большими поперечными градиентами плотности и температуры и с низкой проводимостью периферийной плазмы, рассматриваются в работах [30-33].
Модели турбулентности в SOL основаны на подобных моделях, описывающих турбулентность в центральной плазме, но дополненных эффектами, происходящими из-за присутствия лимитерных или диверторных пластин, а именно наличием открытых силовых линий и пристеночного перепада электрического потенциала. Специфические граничные условия на контактных пластинах могут приводить к развитию баллонных мод при значениях р более низких, чем это определяется баллонными пределами для центральной плазмы [30].
В работе [31], где рассматривается устойчивость потоковой трубки, выходящей на контактную поверхность, закон сохранения заряда с учетом граничных условий выражается следующим образом: в, _ _
Jdiv(Jarv+jpoi)qRce+Jj(ei)+Jj(e2)=o, (1)
е,
где Jcurv, - флуктуации плазменного тока из-за влияния кривизны силовых линий и поляризационного дрейфа соответственно, Jj(0j)*
JI (®2 ) ■ флуктуации параллельных токов через пристеночный слой на разных концах токовой трубки 0j и ©2. Параллельный ток на пластину J|| :
20
- Київ+380960830922