پایداری پلاسما

یک توپ که در دره ( سمت راست) آرام گرفته، اگر کمی جابجا شود ، یا دچار اختلال شود به پایین باز خواهد گشت و به این ترتیب به شکل پویا، پایدار است . لیکن اگر این توپ در بالای تپه ( سمت چپ ) قرار داشته باشد در صورت آشفتگی از نقطه استراحت خود شتاب می‌گیرد و دور می‌شود و به‌این‌صورت به شکل پویا، ناپایدار است . انواع پلاسما مکانیسم های بسیاری دارند که باعث می شود آنها را تحت شرایط خاصی در گروه دوم قرار دهد

پایداری پلاسما موضوعی مهم در مطالعات فیزیک پلاسما است. هنگامی که سیستمی حاوی پلاسما در حالت تعادل قرار دارد، این امکان وجود دارد که قسمت‌هایی از پلاسما، تحت تأثیر نیروهای آشفته‌ساز کوچکی که بر آن عمل می کند قرار بگیرد. پایداری سیستم تعیین می کند که آیا این آشفتگی‌ها، توسعه پیدا می کنند، نوسان می کنند یا فروکش می‌کنند.

در بسیاری از موارد، می توان با پلاسما به عنوان یک مایع برخورد کرد و پایداری آن را نیز با مگنتوهیدرودینامیک (MHD) تجزیه و تحلیل کرد. نظریه مگنتوهیدرودینامیک ساده‌ترین نمود پلاسما است، بنابراین پایداری مگنتوهیدرودینامیک برای دستگاه‌هایی که می‌خواهند به صورت پایدار برای همجوشی هسته ای، به‌ویژه انرژی فیوژن مغناطیسی به‌کار روند امری ضروری است. با این وجود انواع دیگری از ناپایداری ها مانند ناپایداری های سرعت-فضا در تله‌های مغناطیسی یا سیستم‌های پرتو افکن نیز وجود دارند. همچنین موارد نادری از سیستم‌ها، مثلا با پیکربندی معکوس شده در میدان، نیز وجود دارند که MHD آنها را ناپایدار پیش بینی می‌کند، اما در مشاهدات، احتمالاً به دلیل اثرات جنبشی، به نظر پایدار می‌رسند.

ناپایداری پلاسما

ناپایداری های پلاسما را می توان به دو گروه کلی تقسیم کرد:

1. ناپایداریهای هیدرودینامیکی
2. ناپایداریهای جنبشی.

ناپایداری های پلاسما همچنین با در نظرگرفتن حالت‌های مختلفی نیز طبقه بندی می شوند (به عنوان مثال با اشاره به پرتو ذرات):

حالت (شماره موج عرصه‌ای)	یادداشت	شرح	حالت های شعاعی	شرح
m= 0		ناپایداری سوسیسی‌شکل : از لحاظ شعاع پرتو، تغییراتی هارمونیک نسبت به فاصله، در امتداد محور پرتو از خود نشان می دهد	n = 0	توخالی‌شدن محوری
			n = 1	شکل‌گیری سوسیسی استاندارد
			n = 2	خوشه‌سازی محوری
m= 1		ناپایداری‌های سینوسی، پیچشی یا شلنگی: نمایانگر جابجایی های عرضی سطح مقطع پرتو بدون تغییر در فرم یا مشخصات پرتویی غیر از موقعیت مرکز جرم آن است.
m= 2	حالت های انشقاق: منجر به شکافت پرتو به ریسه‌هایی جداگانه می‌شود.	مقطعی بیضوی ایجاد می‌کند
m= 3		مقطعی گلابی شکل ایجاد می‌کند
m= 4		شامل چهار مارپیچ درهم تنیده است

لیست ناپایداری های پلاسما

• Buneman instability,
  • Farley–Buneman instability,
  • Jeans–Buneman instability,
  • Relativistic Buneman instability,
• Cherenkov instability,
• Coalescence instability,
  • Non-linear coalescence instability
• Cyclotron instabilities, including:
  • Alfven cyclotron instability
  • Cyclotron maser instability,
  • Electron cyclotron instability
  • Electrostatic ion cyclotron Instability
  • Ion cyclotron instability
  • Magnetoacoustic cyclotron instability
  • Proton cyclotron instability
  • Non-resonant beam-type cyclotron instability
  • Relativistic ion cyclotron instability
  • Whistler cyclotron instability
• Diocotron instability, (similar to the Kelvin-Helmholtz fluid instability).
• Disruptive instability (in tokamaks)
  • Edge-localized modes,
  • Explosive instability (or Ballooning instability),
• Double plasma resonance instability,
• Drift instability (a.k.a. drift-wave instability, or universal instability)
  • Lower hybrid (drift) instability (in the Critical ionization velocity mechanism)
  • Magnetic drift instability,
  • Slow Drift Instability
• Electrothermal instability
• Fan instability,
• Firehose instability (a.k.a. hose instability)
• Jeans instability,
• Magnetorotational instability (in accretion disks)
• Magnetothermal instability (Laser-plasmas),
• Modulational instability
• Pair instability (in supernovae)
• Parker instability (magnetic buoyancy instability),
• Peratt instability (stacked toroids)
• Pinch instability (a.k.a. Bennett pinch instability),
  • Sausage instability (m=0)
  • Kink instability (m=1)
    • Helical kink instability (a.k.a. helical instability)
• Rayleigh-Taylor instability (RTI, a.k.a. gravitational instability)
  • Interchange instability (a.k.a. flute instability),
• Rotating instability,
• Tearing mode instability (or resistive tearing instability)
• Two-stream instability (a.k.a. beam-plasma instability, counter-streaming instability)
  • Beam acoustic instability
  • Bump-on-tail instability
  • Ion beam instability
  • Weak beam instability
• Weibel instability
  • Chromo–Weibel instability (i.e. non-abelian instability)
  • Filamentation instability (a.k.a. beam-Weibel instability),

ناپایداریهای MHD

بتا نسبت فشار پلاسما است به قدرت میدان مغناطیسی.

شکست در تجزیه (خطای نحوی): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mi> <math>\beta = \frac{p}{p_{mag}} = \frac{n k_B T}{(B^2/2\mu_0)}} </mi><mo> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mo><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mfrac><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi><msub><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi></mrow></msub></mfrac></mrow><mo> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mo><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mfrac><mrow><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi><msub><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi></mrow></msub><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi></mrow><mrow><mo stretchy="false"> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mo><msup><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mn> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mn></mrow></msup><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mo></mrow><mn> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mn><msub><mi> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mn> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mn></mrow></msub><mo stretchy="false"> $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </mo></mrow></mfrac></mrow></mstyle></mrow> </math>$\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ $\beta ={\frac {p}{p_{mag}}}={\frac {nk_{B}T}{(B^{2}/2\mu _{0})}}$ </img>

ثبات مگنتوهیدرودینامیک در بتاهای بالا، برای یک راکتور فیوژن مغناطیسی جمع و جور و مقرون به صرفه حیاتی است. چگالی توان فیوژن در میدان مغناطیسی ثابت تقریباً به صورتشکست در تجزیه (خطای نحوی): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msup><mi> <math>\beta^2} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mn> $\beta ^{2}$ </mn></mrow></msup></mstyle></mrow> </math>$\beta ^{2}$ $\beta ^{2}$ </img> تغییر می‌کند، یا به شکل شکست در تجزیه (خطای نحوی): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msubsup><mi> <math>\beta_N^4} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mi> $\beta _{N}^{4}$ </mi></mrow><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mn> $\beta _{N}^{4}$ </mn></mrow></msubsup></mstyle></mrow> </math>$\beta _{N}^{4}$ $\beta _{N}^{4}$ </img> در پیکربندی‌هایی با جریان خارجی پلاسما در کسر ثابتی از بوت‌استرپ. (اینجا شکست در تجزیه (خطای نحوی): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><msub><mi> <math>\beta_N = \beta / (I / a B)} </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mi> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mi></mrow></msub><mo> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mo><mi> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mo></mrow><mo stretchy="false"> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mo><mi> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mi><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mo> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mo></mrow><mi> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mi><mi> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mi><mo stretchy="false"> $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </mo></mstyle></mrow> </math>$\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ $\beta _{N}=\beta /(I/aB)$ </img> بتای نرمالایز شده است).

در بسیاری موارد ، پایداری مگنتوهیدرودینامیک بیانگر محدودیت اصلیِ بتا در نتیجه تراکم قدرت همجوشی است. ثبات مگنتوهیدرودینامیک همچنین با موضوعاتی نظیر ایجاد و تداوم پیکربندی‌های خاص مغناطیسی، محصورسازی انرژی و عملکرد حالت پایدار، رابطه‌ای نزدیک دارد.

مشکل اصلی در ادراک و تعمیم محدودیت‌های پایداری به پیکربندی‌های مختلف پلاسما ، و توسعه ابزارهایی فعال برای عملکرد قابل اعتماد در نزدیکی آن محدودیت‌هاست. قابلیت های پیش بینی دقیقی مورد نیاز است که خود به افزودن فیزیک‌های جدیدی به مدل‌های مگنتوهیدرودینامیک موجود نیاز دارد. اگرچه طیف گسترده ای از پیکربندی‌های مغناطیسی وجود دارند ، فیزیک پشت آنها برای همه مشترک است. ادراک حاصل‌شده در مورد پایداری مگنتوهیدرودینامیک در یک پیکربندی، می تواند برای سایر پیکربندی‌ها مفید واقع شود. این امر با صحه‌گذاری بر نظریه‌های تحلیلی، ارائه معیارهایی برای پیش بینی قواعد پایداری مگنتوهیدرودینامیک ، پیشبرد تکنیک های کنترل فعال، حاصل می‌شود.

ناپایداریهای ایده‌آل

ناپایداری مگنتوهیدرودینامیک ایده‌آل که از شیب جریان یا فشار سرچشمه می‌گیرند، سرحد نهایی محدودیت‌های عملیاتی را برای اکثر پیکربندی‌ها نشان می‌دهند. حالت‌ پیچشی طول موج بلند و حالت بادکنکی طول موج کوتاه عموما به‌خوبی شناخته شده اند و قابل پیشگیری هستند.

حالت‌های طول موج متوسط (با n در حدود ۵ تا ۱۰ که به عنوان مثال در پلاسمای حاشیه‌ای توکامک یافت‌می‌شود)، به دلیل ماهیت سنگین محاسباتِ پایداری ، کمتر درک شده‌اند. پایگاه اطلاعاتی گسترده توکامک برای محدودیت‌‌های بتا با محدودیت‌های پایداری مگنتوهیدروودینامیک ایده‌آل سازگار است، و در حالاتی که پروفایل های داخلی پلاسما با دقت اندازه گیری شوند، به توافق در محدوده ۱۰ درصدی بتا می‌انجامد. این توافقِ اطمینان‌بخش، محاسبات پایداری ایده آل را در سایر پیکربندی‌ها و همچنین در طراحی نمونه‌های آزمایشی راکتورهای فیوژن، با آسودگی خاطر همراه می‌کند.

فرصت هایی برای بهبود پایداری مگنتوهیدروودینامیک

رفع اختلال

ترفند‌هایی که در قسمت بالا مرور کردیم، ابزاری اصلی برای جلوگیری از اختلال است. با این وجود، در حالت‌هایی که این ترفندها نتوانند از ناپایداری جلوگیری کنند تکنیک‌های مختلفی می توانند برای کاهش اثرات اختلال به‌کار آیند. آزمایش‌ها درJT-60U بیانگر کاهش فشارهای الکترومغناطیسی از طریق عملکرد در یک نقطه خنثی برای پایداری عمودی است. حذف قبضیِ انرژی پلاسما با تزریق حباب‌های بزرگ گاز یا گلوله‌های ناخالصی، در آزمایشات توكامك، و همچنین آزمایش‌های جاری در مورد C – Mod ، JT – 60U ، ASDEX – U و DIII – D، می‌توانند باعث بهبود درک و توانایی پیشگویانه شوند. افشانه‌های کریوژنیک مایع هلیوم، روش پیشنهادی دیگری است که ممکن است برای دستگاههای بزرگتر مورد نیاز باشد. تکنیک های توسعه‌یافته برای تخفیف اثر ناپایداری در توکامک می‌تواند مستقیماً در سایر پیکربندی‌ها نیز به‌کار رود.

جستارهای وابسته

• فهرست مقالات فیزیک پلاسما

منابع

[[رده:تئوری پایداری]]