Яковенко Юрій Володимирович. Резонансні ефекти в плазмі з надтепловими іонами в токамаках та стелараторах. : Дис... д-ра наук: 01.04.08 - 2009.
Анотація до роботи:
Яковенко Ю.В. Резонансні ефекти в плазмі з надтепловими іонами в токамаках та стелараторах. — Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 – фізика плазми. — Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2008.
Вивчено стохастичну дифузію швидких (надтеплових) іонів у сферичних токамаках. Запропоновано альтернативну модель колапсу пилчастих коливань у токамаках, яка пояснює спостережену поведінку коефіцієнту запасу стійкості. Відкрито існування критичної енергії захоплених швидких іонів при їх перерозподілі пилчастими коливаннями; з надкритичними енергіями є нечутливими до колапсів, тоді як іони з підкритичними енергіями добре перерозподіляються. Отримано та застосовано до аналізу експериментів рівняння, що описують перерозподіл частинок колапсом. Розроблено числовий код COBRA для обрахунку альфвенівських континуумів у стелараторах, який застосовано аналізу експериментів. Відкрито явище анігіляції щілин континууму в точках їх перетину і явище захоплення альфвенівських хвиль через інтерференцію гармонік параметрів плазми. Відкрито аномальну електронну теплопровідність, що виникає через резонансну дію кінетичної альфвенівської хвилі на електрони, що дозволило пояснити експеримент на стелараторі Wendelstein 7-AS.
У дисертації розглянуто широке коло задач, пов’язаних з резонансними ефектами в плазмі з надтепловими іонами. Зокрема, досліджено стохастичну дифузію швидких іонів у сферичних токамаках, проаналізовано вплив пилчастих коливань на швидкі іони в звичайних та сферичних токамаках, вивчено властивості альфвенівського континууму та альфвенівських власних мод у стелараторах. Розширено теоретичне підґрунтя для інтерпретації тих експериментів на токамаках та стелараторах, у яких спостерігалися ефекти, пов’язані зі швидкими іонами, що дозволило пояснити низку експериментальних спостережень та передбачити нові ефекти, які дістали експериментальне підтвердження.
Найважливіші результати, отримані в дисертації, є такими:
Запропоновано альтернативну модель колапсу пилчастих коливань, яка пояснює відмінність оберненого обертального перетворення q на магнітній осі після колапсу від одиниці. Модель ґрунтується на припущенні, що перезамкнення магнітних силових ліній у процесі колапсу відбувається в двох струмових шарах, в одному з яких магнітні поверхні не об’єднуються, а розщеплюються. Модель добре узгоджується як з експериментальними спостереженнями щодо профілю q, так і зі спостереженою зміною нейтронної емісії.
Побудовано теорію перенесення енергійних іонів під час пилчастих коливань. Відкрито існування критичної енергії іонів, що визначається конкуренцією між прецесією частинок та їх дрейфом в електричному полі нестійкості:
де M – маса іонів, – радіус зони перемішування плазми, – радіус магнітної осі, – циклотронна частота іонів на магнітній осі, – тривалість колапсу. Іони з надкритичними енергіями є нечутливими до пилчастих коливань, тоді як іони з підкритичними енергіями виштовхуються з центру плазми, рухаючись разом з еволюціонуючими магнітними поверхнями. Існування критичної енергії було підтверджено експериментально на TFTR і ввійшло в огляди ITER.
Виведено рівняння, які описують перерозподіл плазми та швидких іонів, прикріплених до магнітних поверхонь (тобто, захоплених з підкритичною енергією та пролітних), під час колапсу пилчастих коливань. Вивчено вплив пилчастих коливань на радіальний профіль нагрівання плазми швидкими іонами; показано, що він визначається співвідношенням періоду коливань та часу гальмування іонів. Проведено аналіз експериментів з інжекцією нейтральних атомів на JET і знайдено, що експериментально спостережений перерозподіл інжектованих іонів дейтерію при пилчастих коливаннях на токамаці JET добре узгоджується, як з моделлю колапсу Кадомцева, так і з моделлю з двома шарами перезамкнення, яка пропонується в дисертації.
Розроблено комп’ютерний код COBRA для обрахунку альфвенівських континуумів у тривимірних тороїдальних магнітних конфіґураціях. З використанням цього коду вивчено властивості альфвенівських континуумів у стелараторах. Продемонстровано та обґрунтовано існування абсолютних щілин у альфвенівському континуумі. Код використовується для аналізу експериментів у Інституті фізики плазми Макса Планка (Німеччина).
Відкрито явище аномальної електронної теплопровідності при поширенні в плазмі кінетичної альфвенівської хвилі через резонансну дію поздовжнього електричного поля хвилі на електрони, що дозволило пояснити експериментальні спостереження на німецькому стелараторі Wendelstein 7-AS. Цей результат увійшов до огляду результатів W7-AS.
Вивчено просторову структуру та частотний спектр коливань альфвенівського континууму та альфвенівських власних мод у стелараторі. Знайдено, що інтерференція Фур’є-гармонік параметрів магнітної конфіґурації з близькими періодами вздовж магнітного поля, які можуть існувати в стелараторі, може вести до захоплення як коливань альфвенівського континууму, так і альфвенівських власних мод у певних секторах перерізу плазми («хвильоводах»), а також до анігіляції щілин альфвенівського континууму. Така ситуація є типовою в частотному діапазоні щілин континууму, створених ґвинтовими гармоніками; хвильоводи в цьому випадку, як правило, розташовані на внутрішньому обводі плазмового тора. Висновки теорії підтверджуються експериментальними даними, отриманими на W7-AS. Знайдено аналітичні вирази для частот та хвильових функцій локалізованих ідеальних альфвенівських власних мод у ізольованій щілині континууму стеларатора з малим магнітним широм.
З'ясовано механізми резонансного перерозподілу пилчастими коливаннями частинок з надкритичними енергіями. По-перше, швидкі іони можуть взаємодіяти через резонанс , , з вищими гармоніками збурення, що з'являються на нелінійній стадії його розвитку (тут n – тороїдальний номер гармоніки, s – довільне ціле, та – частоти відповідно полоїдального та тороїдального руху частинок у незбуреній системі). По-друге, основна гармоніка збурення (, де m – полоїдальний номер) здатна взаємодіяти з частинками через змушені резонанси, які виникають завдяки скінченній амплітуді моди, викликаючи стохастичність частинок з малою полоїдальною дією. Обидва механізми пояснюють зникнення «гарячої плями» (локалізованої області перерізу плазми, що активно випромінювала нейтрони та гамма-промені) під час колапсів пилчастих коливань в експериментах на токамаці JET. Крім того, в звичайних токамаках в резонансі з основною гармонікою збурення знаходяться сильно пролітні іони.
Виведено інваріанти резонансного руху заряджених частинок у тороїдальній магнітній пастці під впливом електромагнітних збурень. З їх допомогою отримано критерій стохастичності для дифузії, спричиненої гофровкою магнітного поля, у токамаці. Знайдений критерій є придатним як для дифузії Ґолдстона–Вайта–Бузера, так і для дифузії, викликаної циклотронним резонансом частинок із гофровкою.
Знайдено механізми перерозподілу швидких іонів пилчастими коливаннями у сферичних токамаках. Для пролітних частинок – це рух уздовж острова резонансу та стохастичність, що виникає навкруги цього острова. Знайдено критичну енергію для такого перерозподілу, яка сильно залежить від форми перерізу плазми. Для захоплених частинок таким механізмом є діамагнітна складова в прецесійному русі частинок, яка, на відміну від «звичайної» прецесії, сприяє, а не заважає радіальному рухові частинок. З цієї причини в розрядах сферичних токамаків з великим може відбуватися перерозподіл захоплених іонів з надкритичною енергією.
Виведено систему рівнянь для зачеплених звукових та альфвенівських коливань у тривимірній тороїдальній магнітній конфіґурації з малим аспектним відношенням і високим тиском плазми.
Публікації автора:
Sawtooth oscillations with the central safety factor, , below unity / Ya. I. Kolesnichenko, Yu. V. Yakovenko, D. Anderson, M. Lisak, F. Wising // Phys. Rev. Lett. — 1992. — Vol. 68, no. 26. — Pp. 3881–3884.
Kolesnichenko Ya. I., Yakovenko Yu. V. Sawtooth oscillations and fast-ion ejection in tokamaks // Nucl. Fusion. — 1992. — Vol. 32, no. 3. — Pp. 449–464.
Kolesnichenko Ya. I., Yakovenko Yu. V. Alpha particle heating during sawteeth in ITER-like reactor // Phys. Scr. — 1992. — Vol. 45. — Pp. 133–137.
Theoretical study of the influence of sawtooth oscillations on fast ion transport and neutron emission in NBI experiments on JET / D. Anderson, Ya. I. Kolesnichenko, M. Lisak, F. Wising, Yu. V. Yakovenko // Nucl. Fusion. — 1994. — Vol. 34, no. 2. — Pp. 217–229.
Interpretation of sawtooth-induced changes of neutron emission in Joint European Torus Neutral Beam Injection experiments / D. Anderson, Ya. I. Kolesnichenko, M. Lisak, F. Wising, Yu. V. Yakovenko // Fusion Technol. — 1994. — Vol. 26, no. 3. — Pp. 227–233.
Kolesnichenko Ya. I., Yakovenko Yu. V. Theory of fast ion transport during sawtooth crashes in tokamaks // Nucl. Fusion. — 1996. — Vol. 36, no. 2. — Pp. 159–172.
Kolesnichenko Ya. I., Yakovenko Yu. V. Kinetic description of redistribution of fast ions during sawtooth crashes in tokamaks // Nucl. Fusion. — 1995. — Vol. 35, no. 12. — Pp. 1579–1583.
Theory of fast ion transport induced by sawtooth oscillations: Overview and new results / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, Yu. V. Yakovenko, G. Kamelander // Phys. Plasmas. — 1997. — Vol. 4, no. 7. — Pp. 2544–2554.
Kolesnichenko Ya. I., Lutsenko V. V., Yakovenko Yu. V. Superbanana orbits and redistribution of marginally trapped fast ions during sawtooth crashes // Phys. Plasmas. — 1998. — Vol. 5, no. 3. — Pp. 729–734.
Theory of resonance influence of sawtooth crashes on ions with large orbit width / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, R. B. White, Yu. V. Yakovenko // Phys. Plasmas. — 1998. — Vol. 5, no. 8. — Pp. 2963–2976.
Yakovenko Yu. V. Adiabatic invariant of the resonant guiding-centre motion in a tokamak // ВАНТ, Сер.: Физика плазмы. — 1999. — № 1(1), 2(2). — С. 89–91.
Small-action particles in a tokamak in the presence of an mode / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, R. B. White, Yu. V. Yakovenko // Phys. Rev. Lett. — 2000. — Vol. 84, no. 10. — Pp. 2152–2155.
Effect of sawtooth oscillations on energetic ions / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, R. B. White, Yu. V. Yakovenko // Nucl. Fusion. — 2000. — Vol. 40, no. 7. — Pp. 1325–1341.
Transport of energetic ions during relaxation oscillations in plasmas of spherical tori / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, R. B. White, Yu. V. Yakovenko // Phys. Lett. A. — 2001. — Vol. 287. — Pp. 131–136.
Alfvn continuum and high-frequency eigenmodes in optimized stellarators / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, H. Wobig, Yu. V. Yakovenko, O. P. Fesenyuk // Phys. Plasmas. — 2001. — Vol. 8, no. 2. — Pp. 491–509.
Alfvn continuum in stellarators: general analysis and specific examples / Ya. I. Kolesnichenko, H. Wobig, Yu. V. Yakovenko, J. Kilinger // Зб. наук. праць Інст. ядерних досліджень. — 2001. — № 4(6). — С. 69–75.
Ideal magnetohydrodynamic equations for low-frequency waves in toroidal plasmas / O. P. Fesenyuk, Ya. I. Kolesnichenko, H. Wobig, Yu. V. Yakovenko // Phys. Plasmas. — 2002. — Vol. 9, no. 5. — Pp. 1589–1595.
Alfvn eigenmodes and their destabilization by energetic circulating ions in Wendelstein-line stellarators / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, H. Wobig, Yu. V. Yakovenko // Nucl. Fusion. — 2002. — Vol. 42, no. 8. — Pp. 949–958.
Kolesnichenko Ya. I., White R. B., Yakovenko Yu. V. Mechanisms of stochastic diffusion of energetic ions in spherical tori // Phys. Plasmas. — 2002. — Vol. 9, no. 6. — Pp. 2639–2654.
Kolesnichenko Ya. I., White R. B., Yakovenko Yu. V. Precession of toroidally passing particles in tokamaks and spherical tori // Phys. Plasmas. — 2003. — Vol. 10, no. 5. — Pp. 1449–1457.
Experiments close to the beta-limit in W7-AS / A. Weller, J. Geiger, A. Werner, M. C. Zarnstorff, C. Nhrenberg, E. Sallander, J. Baldzuhn, R. Brakel, R. Burhenn, A. Dinklage, E. Fredrickson, F. Gadelmeier, L. Giannone, P. Grigull, D. Hartmann, R. Jaenicke, S. Klose, J. P. Knauer, A. Knies, Ya. I. Kolesnichenko, H. P. Laqua, V. V. Lutsenko, K. McCormick, D. Monticello, M. Osakabe, E. Pasch, A. Reiman, N. Rust, D. A. Spong, F. Wagner, Yu. V. Yakovenko, W7-AS Team, NBI Group // Plasma Phys. Control. Fusion. — 2003. — Vol. 45, no. 12A. — Pp. A285–A308.
Interplay of energetic ions and Alfvn modes in helical plasmas / Ya. I. Kolesnichenko, S. Yamamoto, K. Yamazaki, V. V. Lutsenko, N. Nakajima, K. Toi, Yu. V. Yakovenko // Phys. Plasmas. — 2004. — Vol. 11, no. 1. — Pp. 158–170.
Fast ion confinement and fast-ion-induced effects in stellarators / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, V. S. Marchenko, A. Weller, A. H. F. Werner, H. F. G. Wobig, Yu. V. Yakovenko, K. Yamazaki // Fusion Sci. Technol. — 2004. — Vol. 46, no. 1. — Pp. 54–63.
Energetic ion transport and concomitant change of the fusion reactivity during reconnection events in spherical tori / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, R. B. White, Yu. V. Yakovenko //Phys. Plasmas. — 2004. — Vol. 11, no. 11. — Pp. 5302–5315.
Alfvn continuum and Alfvn eigenmodes in the National Compact Stellarator Experiment / O. P. Fesenyuk, Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, R. B. White, Yu. V. Yakovenko // Phys. Plasmas. — 2004. — Vol. 11, no. 12. — Pp. 5444–5451.
Novel mechanism of anomalous electron heat conductivity and thermal crashes during Alfvnic activity in Wendelstein 7-AS / Ya. I. Kolesnichenko, Yu. V. Yakovenko, A. Weller, A. Werner, J. Geiger, V. V. Lutsenko, S. Zegenhagen // Phys. Rev. Lett. — 2005. — Vol. 94, no. 16. — Paper 165004.
Effects of fast-ion-orbit width on Alfvn instabilities in stellarators: a general theory and its application to a W7-AS experiment / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, A. Weller, A. Werner, H. Wobig, Yu. V. Yakovenko, J. Geiger, S. Zegenhagen // Nucl. Fusion. — 2006. — Vol. 46, no. 8. — Pp. 753–769.
Poloidal trapping of the high-frequency Alfvn continuum and eigenmodes in stellarators / Yu. V. Yakovenko, A. Weller, A. Werner, S. Zegenhagen, O. P. Fesenyuk, Ya. I. Kolesnichenko // Plasma Phys. Control. Fusion. — 2007. — Vol. 49, no. 4. — Pp. 535–558.
Magnetohydrodynamic activity and energetic ions in fusion plasmas / Ya. I. Kolesnichenko, V. V. Lutsenko, V. S. Marchenko, A. Weller, R. B. White, Yu. V. Yakovenko, K. Yamazaki // Plasma Phys. Control. Fusion. — 2007. — Vol. 49, no. 5A. — Pp. A159–A166.
