Evolution of the global plasma structure of field reversed configuration in the turbulent transport regimes
Field reversed magnetic configuration (FRC) is a promising system confining high-pressure plasma (plasma pressure is close to the magnetic pressure). FRC combines the properties of closed and open magnetic configurations. Important problem of FRC development is the turbulent transport and transport reduction. In this work we consider transport caused by electromagnetic gradient drift instabilities. Model the plasma evolution is based on the equations of particle and energy transport and MHD equilibrium. Simulation results show two typical regimes: 1) domination of turbulent transport across magnetic field lines from the region of closed lines, 2) domination of longitudinal collisional losses from the open lines region. We obtain the dimensionless similarity criteria and also a relation of global confinement time of plasma with a coefficient of transverse turbulent diffusion and longitudinal loss time.
Field reversed configuration, turbulent transport, Grad-Shafranov equation
Обращенная магнитная конфигурация (FRC) – перспективная система с плазмой высокого давления (практически равного магнитному давлению). Она сочетает свойства замкнутых и открытых магнитных конфигураций. Важной проблемой FRC является турбулентный транспорт и его снижение. В настоящей работе рассматривается транспорт, вызываемый электромагнитными градиентными дрейфовыми неустойчивостями. Модель эволюции основана на уравнениях транспорта частиц и энергии и уравнении магнитогидродинамического равновесия. По результатам моделирования можно выделить два характерных режима: 1) режим с доминированием поперечного турбулентного транспорта из области замкнутых магнитных силовых линий; 2) режим с доминированием продольных столкновительных потерь из области открытых линий. Получены безразмерные критерии подобия и установлена связь глобального времени удержания плазмы с коэффициентом поперечной турбулентной диффузии и временем продольных потерь.
1. Куртмуллаев Р.Х., Малютин А.И., Семенов В.Н. Ком- пактный тор // Итоги науки и техники. Физика плазмы. Т. 7. М.: ВИНИТИ, 1985. С. 80–135. 2. Tuszewski M. Field reversed configurations // Nucl. Fusion. 1988. V. 28. Pp. 2033–2092. 3. Steinhauer L.C. Review of field-reversed configurations // Phys. Plasmas. 2011. V. 18. 070501 (38pp). 4. Tuszewski M., Smirnov A., Deng B.H., et al. Combined FRC and mirror plasma studies in the C-2 device // Fusion Sci. Technol. 2011. V. 59. No. 1T. Pp. 23–26. 5. Чирков А.Ю. Оценка параметров плазмы в D–3He- реакторе на основе обращенной магнитной конфигура- ции // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термо- ядерный синтез. 2006. Вып. 4. С. 57–67 6. Чирков А.Ю. О перспективах малорадиоактивного тер- моядерного реактора на основе обращенной магнитной конфигурации // Прикладная физика. 2007. № 1. С. 94–98 7. Чирков А.Ю., Бендерский Л.А., Бердов Р.Д., Большакова А.Д. Модель транспорта в квазиравновесных обращен- ных магнитных конфигурациях // Вестник МГТУ. Сер. “Естественные науки”. 2011. № 4. С. 15–27. 8. Chirkov A.Yu., Khvesyuk V.I. Electromagnetic drift instabilities in high-β plasma under conditions of a field reversed configuration // Phys. Plasmas. 2010. V. 17. 012105 (8pp). 9. Чирков А.Ю., Хвесюк В.И. Особенности бесстолкнови- тельных градиентных дрейфовых неустойчивостей в плазме с сильно неоднородным магнитным полем и вы- сокими β // Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 473–483. 10. Чирков А.Ю. Двухмасштабное моделирование турбу- лентного транспорта в сдвиговых течениях плазмы в магнитном поле // Физико-химическая кинетика в газо- вой динамике. 2010. Т. 9. www.chemphys.edu.ru/pdf/2010- 01-12-017.pdf. 11. Галкин С.А. Дроздов В.В., Семенов В.Н. Полуторамер- ная модель эволюции равновесных состояний плазмы в компактном торе. Препринт № 75, ИПМ им. М.В. Кел- дыша, Москва, 1988. 12. Галкин С.А. Дроздов В.В., Семенов В.Н. Эволюция равновесия плазмы компактного тора с учетом различ- ных каналов потерь // Физика плазмы. 1989. Т. 15. Вып. 3. С. 288–299. 13. Ikeyama T., Hiroi M., Nogi Y., Ohkuma Y. Beta value at separatrix of field-reversed configuration // Phys. Plasmas. 2009. V. 16. 042512 (5 pp). 14. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислитель- ная гидромеханика и теплообмен. Т. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 15. Suzuki Y., Okada S., Goto S. Analysis of averaged β value in two dimensional equilibria of a field-reversed configuration with end mirror fields // J. Plasma Fusion Res. Series. 1999. V.2. P. 218–221. 16. Takahashi T, Gota H, Nogi Y. Control of elongation for field-reversed configuration plasmas using axial field index of a mirror confinement field // Phys. Plasmas. 2004. V. 11. Pp. 4462–4467. 17. Carlson A.W. A search for lower-hybrid-drift fluctuations in a field reversed configuration using CO2 heterodyne scattering // Phys. Fluids. 1987. V. 30. Pp. 1497–1509. 18. Okada S., Kiso Y., Goto S., Ishimura T. Estimation of the electrical resistivity in field-reversed-configuration plasmas from detailed interferometric measurements // Phys. Fluids. 1989. V. B1. Pp. 2422–2429. 19. Okada S., Ueki S., Himura H., et al. Measurement of magnetic field fluctuation in a field-reversed-configuration plasma // Fusion Technol. 1995. V. 27 (1T). Pp. 341–344.
