Para confinar un plasma, se supone que la presión del plasma es menor que la presión magnética. La relación entre la presión del plasma y la presión magnética se llama beta . Teóricamente, se supone que el valor de beta debe permanecer por debajo de uno para confinar un plasma, pero puede acercarse a él. Pero en los tokamaks u otros dispositivos de confinamiento magnético, estos dispositivos solo pueden funcionar con betas que oscilan entre el 1 % y el 40 %.
Cada vez que trato de averiguar por qué, todos los sitios web señalan inestabilidades de plasma. Pero eso es obvio. Estoy interesado en qué causa esas inestabilidades y cómo podemos prevenirlas. ¿Cómo creamos dispositivos de confinamiento beta alto? Y parece que Internet tampoco ofrece ninguna información sobre este tema.
Entonces, ¿qué tipo de inestabilidades impiden valores beta más altos? ¿Qué los provoca y cómo los prevenimos?
Cualquier ayuda sería MUY apreciada. Gracias
Como dijo @honeste_vivere, su pregunta está relacionada con un campo muy amplio en la investigación de la fusión, que es la estabilidad magnetohidrodinámica (MHD) .
Usted hizo básicamente dos preguntas:
Primero veamos la pregunta 1 : en general, hay dos cosas que limitan el plasma-ß, (a) el límite de equilibrio y (b) el límite de estabilidad .
En cuanto a (a), esto requiere un poco de explicación: como probablemente sepa, necesita líneas de campo magnético retorcidas en un toro para obtener confinamiento; un simple toro magnetizado, donde tiene un campo puramente toroidal, no tiene confinamiento.
La razón por la que necesita este giro es para cancelar la acumulación de carga que surgiría en un campo puramente toroidal (debido a la corriente diamagnética ). Usted cancela esas acumulaciones torciendo las líneas del campo magnético de tal manera que las áreas de acumulaciones de carga positiva y negativa estén conectadas y, por lo tanto, las corrientes fluyan para cancelar las acumulaciones. Estas corrientes que fluyen a lo largo de las líneas del campo magnético se denominan corrientes de Pfirsch-Schlüter (corrientes PS) y conducen a un desplazamiento de las superficies de flujo hacia el lado exterior (debido al campo magnético que las acompaña generado por las corrientes PS).
Este cambio, llamado cambio de Shafranov , aumenta con la presión del plasma y, por lo tanto, con el plasma-ß (ya que una presión más alta implica corrientes diamagnéticas más altas, por lo tanto, corrientes PS más grandes, lo que resulta en un cambio más grande de las superficies de flujo). Si el desplazamiento es igual al radio menor del plasma, se alcanza el límite de equilibrio : no es posible un mayor desplazamiento de las superficies de flujo central, ya que el radio menor del plasma denota el límite del plasma.
En cuanto a (b), observa inestabilidades que limitan su plasma-ß, que también es su segunda pregunta. Estas inestabilidades generalmente se distinguen por el impulso, (a) impulsado por el gradiente de corriente y (b) impulsado por el gradiente de presión . Obviamente, las inestabilidades impulsadas por la corriente solo son importantes para los tokamaks donde hay una gran corriente toroidal que fluye en el plasma, necesaria para crear parte del campo magnético de confinamiento.
Cuando realiza el análisis de estabilidad para las inestabilidades impulsadas por la corriente, uno de los principales resultados es un límite en la corriente de plasma, el llamado límite de Kruskal-Shafranov . En un tokamak, es importante no superar este límite, de lo contrario, se desencadena una interrupción , que es la pérdida repentina del confinamiento, lo que genera una gran tensión mecánica en la embarcación (y todos los componentes adjuntos).
Los límites del plasma-ß se deben principalmente a inestabilidades impulsadas por la presión. Una forma de analizar la estabilidad es deformar el equilibrio (las superficies de flujo) y calcular el cambio resultante en la energía potencial. Si el cambio es negativo y la energía potencial disminuye, esto implica inestabilidad mientras que un aumento en la energía potencial implica estabilidad frente a esa deformación.
Dado que ahora estamos viendo inestabilidades impulsadas por la presión, deformamos la presión del plasma. Además, permitimos una variación poloidal de la deformación. Debido a la diferencia de buena y mala curvatura en una geometría de confinamiento toroidal, las perturbaciones son más fuertes en el lado de campo bajo y más pequeñas en el lado de campo alto. Esas perturbaciones de presión se denominan modos de globo y el análisis de su estabilidad nos da combinaciones de gradientes de presión y cizallamiento magnético (cambio de inclinación del campo magnético con el radio) que dan como resultado configuraciones estables.
El análisis de estabilidad para las inestabilidades impulsadas por la corriente impuso algunas restricciones a la corriente de plasma como se mencionó anteriormente. Usando estas limitaciones junto con el conocimiento sobre la estabilidad frente a los modos de globo, podemos observar los perfiles de corriente y presión de plasma que maximizan el plasma-ß. Este es entonces el límite ß de estabilidad .
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