ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПЛАЗМЫ ТОКАМАКА

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Дан обзор современного состояния исследований трех основных составляющих спектра турбулентности, наблюдаемых на современных токамаках, различающихся по частотному диапазону и корреляционным свойствам и имеющих относительно широкие частотные интервалы и размеры более ионного ларморовского радиуса. Это широкополосные (Broad Band – BB), квазикогерентные (Quasi-Coherent – QC), и стохастические низкочастотные флуктуации (Stochastic Low Frequency – SLF). Флуктуации BB имеют наиболее широкий частотный диапазон от 0 до 200–400 кГц и дают основной вклад в полную амплитуду флуктуаций плотности. Характерные размеры BB близки к предсказываемым теорией для неустойчивостей Ion Temperature Gradient (ITG) и Trapped Electron Mode (TEM). BB – наименее коррелированные флуктуации, в плазме токамака Т-10 (R/a = 1.5/0.3 м) их типичная радиальная и полоидальная корреляционные длины составляют около 1 и 2 см, соответственно, длина корреляции вдоль магнитно-силовой линии меньше 2.5 м. Квазикогерентные флуктуации (QC) проявляются в виде локальных максимумов на частотных спектрах колебаний плотности, однако наиболее отчетливо они видны на спектрах когерентности, поскольку они имеют радиальные и полоидальные корреляционные длины, существенно большие, чем ВВ. В плазме токамака Т-10 для QC-мод наблюдались корреляции вдоль магнитно-силовой линии на длине до 10 м. На Т-10 наблюдались два типа таких флуктуаций: низкочастотные – LFQC и высокочастотные – HFQC. Характерные полоидальные размеры и зависимости от параметров разряда в экспериментах на Т-10 показывают, что свойства LFQC и HFQC близки к свойствам ITG и TEM, соответственно. Полоидальное вращение QC совпадает с дрейфовым [E×B] вращением по величине и направлению. Показана связь характеристик этих мод с параметрами разряда при изменении плотности. На Т-10 и на DIII-D показано наличие магнитной составляющей у QC. Гирокинетическое моделирование этих экспериментов показало, что свойства QC близки к микротиринг моде (МТМ). Дополнительным свидетельством МТМ характера QC является сильная зависимость их спектров от профиля тока, дискретная модовая структура и отсутствие QC в плазме стеллараторов. Стохастические низкочастотные флуктуации (SLF), возбуждаемые в диапазоне от 0 до 70 кГц, наименее исследованы. В плазме токамака Т-10 на стороне слабого магнитного поля эти флуктуации могут вращаться в сторону, противоположную QC. SLF некоррелированы вдоль магнитной силовой линии на LFS, но коррелированы на HFS. SLF флуктуации имеют магнитную компоненту. Флуктуации плотности и потенциала имеют разные радиальные и полоидальные размеры и некоррелированы между собой. Это позволяет предположить существование двух независимых типов флуктуаций в частотной области SLF. В экспериментах на DIII-D путем сравнения спектров в L, I и H-режимах было показано, что флуктуации в области SLF (до 70 кГц) могут быть связаны с переносом частиц, а высокочастотные, такие как QCM и ВВ, с переносом тепла.

Об авторах

В. А Вершков

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: Vershkov_VA@nrcki.ru
Москва, Россия

А. В Мельников

НИЦ “Курчатовский институт”; Национальный ядерный университет МИФИ; Московский физико-технический институт (НИУ)

Москва, Россия; Москва, Россия; Долгопрудный, Россия

Л. Г Елисеев

НИЦ “Курчатовский институт”

Москва, Россия

Список литературы

  1. ITER, http://www.iter.org/
  2. Biel W., Ariola M., Bolshakova I., Brunner K.J., Cecconello M., Duran I., Franke Th., Giacomelli L., Giannone L., Janky F. et al. // Fusion Eng. Design. 2022. V. 179. P. 113122. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2022.113122
  3. Wan Y., Li J., Liu Y., Wang X., Chan V., Chen Ch., Duan X., Fu P., Gao X., Fenget K. et al. // Nuclear Fusion. 2017. V. 57. P. 102009. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa686a
  4. Creely A.J., Greenwald M.J., Ballinger S.B., Brunner D., Canik J., Doody J., Ful ¨ op T., Garnier D.T., ¨ Granetz R., Gray T.K. et al. // J. Plasma Phys. 2020. V. 86. P. 865860502. https://doi.org/10.1017/S0022377820001257
  5. Lawson J.D. // Proc. Phys. Society. 1957. V. 70. P. 6. https://doi.org/10.1088/0370-1301/70/1/303
  6. Галеев А.А., Сагдеев Р.З. // Вопросы теории плазмы. Вып. 7 / Ред. М.А. Леонтович. М.: Атомиздат, 1973.
  7. Gorbunov E.P., Razumova K.A. // Atomic energy. 1963. V. 15. P. 363.
  8. Рудаков Л.И., Сагдеев Р.З. // ЖЭТФ. 1961. Т. 37. С. 1397.
  9. Кадомцев Б.Б. // Письма ЖЭТФ. 1966. Т. 4. С. 15.
  10. Coppi B., Rewoldt G. // Phys. Rev. Lett. 1974. V. 33. P. 1329.
  11. Horton W., Hong B.G., and Tang W.M. // Phys. Fluids. 1988. V. 31. P. 2971.
  12. Connor J., Cowley S., and Hastie R. // Plasma Phys. Control. Fusion. 1990. V. 32. P. 799.
  13. Staebler G., Bourdelle C., Citrin J., and Waltz R. // Nucl. Fusion. 2024. V. 64. P. 103001. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad6ba5
  14. Diamond P.H., Itoh S.-I., Itoh K., and Hahm T.S. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2005. V. 47. P. R35. https://doi.org/10.1088/0741-3335/47/5/R01
  15. Ida K. // Rev. Modern Plasma Phys. 2025. V. 9. P. 8. https://doi.org/10.1007/s41614-025-00186-7
  16. Maeyama S., Howard N.T., Citrin J., Watanabe T.-H., and Tokuzawa T. // Nuclear Fusion. 2024. V. 64. P. 112007. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad34e1
  17. Eliseev L.G., Ivanov N.V., Kakurin A.M., Melnikov A.V., and Perfilov S.V. // Phys. Plasmas. 2015. V. 22. P. 052504. https://doi.org/10.1063/1.4921646
  18. Melnikov A.V., Eliseev L.G., Gudozhnik A.V., Lysenko S.E., Mavrin V.A., Perfilov S.V., Zimeleva L.G., Ufimtsev M.V., Krupnik L.I., and Schoch P.M. // Czechoslovak J. Phys. 2005. V. 55. P. 349. https://doi.org/10.1007/s10582-005-0046-6
  19. Melnikov A.V., Eliseev L.G., Lysenko S.E., Mavrin V.A., Perfilov S.V., Ascasibar E., Hidalgo C., Jimenez-G ´ omez R., L ´ opez-Fraguas A., De ´ Pablos J.L. et al. // Nuclear Fusion. 2012. V. 52. P. 123004.
  20. Cripwell P., Costley A.E., Hubbard A.E. // Proceed. 16th European Physical Soc. Confer. on Plasma Physics and Controlled Fusion, Venice, 1989. European Physical Soc., Petit-Lancy, 1989. V. 1. P. 75.
  21. Vershkov V.A., Shelukhin D.A., Soldatov S.V., Urazbaev A.O., Grashin S.A., Eliseev L.G., Melnikov A.V. and the T-10 team // Nuclear Fusion. 2005. V. 45. P. S203. https://doi.org/10.1088/0029-5515/45/10/S17
  22. Melnikov A.V., Krupnik L.I., Eliseev L.G., Barcala J.M., Bravo A., Chmyga A.A., Deshko G.N., Drabinskij M.A., Hidalgo C., Khabanov P.O. et al. // Nuclear Fusion. 2017. V. 57. P. 072004. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa5382
  23. Melnikov A.V., Drabinskiy M.A., Eliseev L.G., Khabanov P.O., Kharchev N.K., Krupnik L.I., De Pablos J.L., Kozachek A.S., Lysenko S.E., Molinero A. et al. // Fusion Eng. Design 2019. V. 146. P. 850. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.01.096
  24. Melnikov A.V., Eliseev L.G., Jimenez-G´omez R., As´casibar E., Hidalgo C., Chmyga A.A., Komarov A.D., Kozachok A.S., Krasilnikov I.A., Khrebtov S.M. et al. // Nuclear Fusion. 2010. V. 50. P. 084023.
  25. Luhmann N.C., Bindslev H., Park H., Sаnchez J., ´Taylor G., and Yu C.X. // Fusion Sci. Techn. 2008. V. 53. P. 335. https://doi.org/10.13182/FST08-A1675
  26. Paul S.F., Fonk R.J. // Rev. Sci. Instrum. 1990. V. 61. P. 3496. https://doi.org/10.1063/1.1141557
  27. Zweben S.J., Maqueda R.J., Stotler D.P., Keesee A., Boedo J., Bush C.E., Kaye S.M., LeBlanc B., Lowrance J.L., Mastrocola V.J. et al. // Nuclear Fusion. 2004. V. 44. P. 134. https://doi.org/10.1088/0029-5515/44/1/016
  28. Rhodes T.L., Peebles W.A., Nguyen X., Hillesheim J.C., Schmitz L., White A.E., Wang G. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2006. V. 77. P. 10E922. https://doi.org/10.1063/1.3475797
  29. Ossipenko M.V. and T-10 Team // Nuclear Fusion. 2003. V. 43. P. 164.
  30. Vershkov V.A. et al. // Proc. 28th EPS Conf. Controlled Fusion and Plasma Physics, (Madeira, Portugal. 2001. ECA. V. 25A. P1.011.
  31. Krаmer-Flecken A., Soldatov S., Xu Y., Arnichand H., ¨ Hacquin S., Sabot R. and the TEXTOR team // New J. Phys. 2015. V. 17. P. 073007. https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/7/073007
  32. Arnichand H., Sabot R., Hacquin S., Krаmer-¨Flecken A., Bourdelle C., Citrin J., Garbet X., Giacalone J.C., Guirlet R., Hillesheim J.C., Meneses L., and JET Contributors // Nuclear Fusion. 2015. V. 55. P. 093021. https://doi.org/10.1088/0029-5515/55/9/093021
  33. Melnikov A.V., Krupnik L.I., Ascasibar E., Cappa A., Chmyga A.A., Deshko G.N., Drabinskij M.A., Eliseev L.G., Hidalgo C., Khabanov P.O. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2018. V. 60. P. 084008. https://doi.org/10.1088/1361-6587/aac97f
  34. Vershkov V.A., Buldakov M.A., Subbotin G.F., Shelukhin D.A., Melnikov A.V., Eliseev L.G., Kharchev N.K., Khabanov P.O., Drabinskiy M.A., Sergeev D.S. et al. // Nucl. Fusion. 2019. V. 59. P. 066021. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab15b1
  35. Estrada T., Sаnchez E., Garca-Regana J.M., Alon´so J.A., Ascasbar E., Calvo I., Cappa A., Carralero D., Hidalgo C., Liniers M. et al. // Nuclear Fusion. 2019. V. 59. P. 076021. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab1940
  36. Vershkov V.A., Grashin S.A., Dreval V.V., Piterskii V.V., Soldatov S.V., and Jakovets A.N. // J. Nucl. Mater. 1997. V. 241–243. P. 873. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(97)80157-2
  37. Уразбаев А.О., Вершков В.А., Солдатов С.В., Шелухин Д.А. // Физика плазмы. 2006. Т. 32. С. 483.
  38. Vershkov V.A., Shelukhin D.A., Subbotin G.F., Dnestrovskij Yu.N., Danilov A.V., Melnikov A.V., Eliseev L.G., Maltsev S.G., Gorbunov E.P., Sergeev D.S. et al. // Nucl. Fusion. 2015. V. 55. P. 063014. https://doi.org/10.1088/0029-5515/55/6/063014
  39. Hillesheim J.C., DeBoo J.C., Peebles W.A., Carter T.A., Wang G., Rhodes T.L., Schmitz L., McKee G.R., Yan Z., Staebler G.M. et al. // Phys. Plasmas. 2013. V. 20. P. 056115. https://doi.org/10.1063/1.4807123
  40. Вершков В.А., Шелухин Д.А., Субботин Г.Ф., Булдаков М.А., Петров В.Г., Петров А.А., Алтухов А.Б., Гурченко А.Д., Гусаков Е.З., Ирзак М.А. // Физика Плазмы. 2021. Т. 47. С. 579.
  41. Vershkov V.A. // Controlled Fusion and Plasma Physics (Proc. 22nd Eur. Conf. Bournemouth. 1995. V. 19C. Part IV. P. 005, EPS, 1995).
  42. Vershkov V.A., Soldatov S.V., Shelukhin D.A. // in Proc. 16th Int. Conf. Fusion Energy. Montreal 1996. V. 1. P. 519.
  43. Weiland J., Nordman H. // Nuclear Fusion. 1991. V. 31. P. 390.
  44. Drabinsky M.A., Eliseev L.G., Khabanov P.O., Melnikov A.V., Kharchev N.K., Sergeev N.S., and Grashin S.A. // ICPAF 2019. J. Physics: Conf. Series. 2019. V. 1383. P. 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1383/1/012004
  45. Vershkov V.A., Dreval V.V., and Soldatov S.V. // Rev.Sci. Inctrum. 1999. V. 70. P. 1700. https://doi.org/10.1063/1.1149654
  46. Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В., Вершков В.А., Солдатов С.В., Камышев Т.В., Рученков В.А. Электродинамический анализ двумерных неоднородных сред и плазмы. М.: Макс Пресс, 2005.
  47. Waltz R.E., Kerbel G.D., and Milovich J. // Phys. Plasmas. 1994. V. 1. P. 2229.
  48. Vershkov V.A., Andreev V.F., Borschegovskiy A.A., Chistyakov V.V., Dremin M.M., Eliseev L.G., Gorbunov E.P., Grashin S.A., Khmara A.V., Kislov A.Ya. et al. // Nucl. Fusion. 2011. V. 51. P. 094019.
  49. Арцимович Л.А., Бобровский Г.А., Горбунов Е.П., Иванов Д.П., Кириллов В.Д., Кузнецов Э.И., Мирнов С.В., Петров М.П., Разумова К.А., Стрелков В.С., Щеглов Д.А. // Plasma Phys. and Control. Nucl. Fusion Res. (Proc. 3th Int. Conf. Novosibirsk 1968). V. I. IAEA,Vienna. 1969. P. 157.
  50. Parker R.R., Greenwald M., Luckhardt S.C., Marmar E.S., Porkolab M., and Wolfe S.M. // Nuclear Fusion. 1985. V. 25. P. 1127. https://doi.org/10.1088/0029-5515/25/9/02
  51. Bravenec R.V., Gentle K.W., Phillips P.E., Price T.R., Rowan W.L., Empson K., Hodge W.L., Klepper C., Kochanski T.P., Patterson D.M. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 1985. V. 27. P. 1335. https://doi.org/10.1088/0741-3335/27/11/009
  52. Efthimion P.C., Bretz N., Bell M., Bitter M., Blanchard W.R., Boody F., Boyd D., Bush C., Cecchi J.L. et al. // Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research (Proc. 10th Int. Conf., London, 1984) V. 1. Vienna: IAEA, 1985. P. 29.
  53. Garbet X., Payan J., Laviron C., Devynck P., Saha S.K., Capes H., Chen X.P., Coulon J.P., Gil C., Harris G.R. et al. // Nuclear Fusion. 1992. V. 32. P. 2147. https://doi.org/10.1088/0029-5515/32/12/I06
  54. Bracco G., Thomsen K. // Nucl. Fusion. 1997. V. 37. P. 759.
  55. Wagner F., Stroth U. // Plasma Phys. Control. Fusion. 1993. V. 35. P. 1321.
  56. Esipchuk Yu.V., Kirneva N.A., Borschegovskij A.A., Chistyakov V.V., and Denisov V.Ph. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2003. V. 45. P. 793.
  57. Esposito B., Marinucci M., Romanelli M., Bracco G., Castaldo C., Cocilovo V., Giovannozzi E., Leigheb M., Monari G., Nowak S. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2004. V. 46. P. 2793. https://doi.org/10.1088/0741-3335/46/11/008
  58. Kadomtsev B.B. // Nuclear Fusion. 1978. V. 18. P. 553.
  59. Kadomtsev B.B. // Plasma Phys. Control. Fusion. 1992. V. 22. P. 1931.
  60. Okhawa T. // Phys. Lett. 1978. V. 67A. P. 35.
  61. Hegna C.C., Callen J.D., Gianakon T., Qu W., Smolyakov A.I., and Wang P. // Plasma Phys. Control. Fusion. 1999. V. 35. P. 987. https://doi.org/10.1088/0741-3335/35/8/007
  62. Callen J.D. // Phys. Plasmas. 2007. V. 14. P. 040701.
  63. Kwon O.J., Diamond P.H. // Nuclear Fusion. 1988. V. 28. P. 1931.
  64. Mantica P.M., Vayakis G., Hugill G., Cirant S., and Pits R.A. // Nuclear Fusion. 1991. V. 31. P.1649.
  65. Vayakis G. // Nucl. Fusion. 1993. V. 33. P. 547.
  66. Colas L., Zou X.L., Paume M., Chareau J.M., Guiziou L., Hoang G.T., Michelot Y., Gresillon D. ´ // Nuclear Fusion. 1998. V. 38. P. 903. https://doi.org/10.1088/0029-5515/38/6/308
  67. Rice J.E., Greenwald M.J., Podpaly Y.A., Reinke M.L., Diamond P.H., Hughes J.W., Howard N.T., Ma Y., Cziegler I., Duval B.P., Ennever P.C. et al. // Phys. Plasmas. 2012. V. 19. P. 056106. https://doi.org/10.1063/1.3695213
  68. Hatch D.R., Pueschel M.J., Jenko F., Nevins W.M., Terry P.W., and Doerk H. // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108. P. 235002.
  69. Rice J.E., Citrin J., Cao N.M., Diamond P.H., Greenwald M., and Grierson B.A. // Nuclear Fusion. 2020. V. 60. P. 105001. https://doi.org/10.1088/1741-4326/abac4b
  70. Grierson B.A., Chrystal C., Haskey S.R., Wang W.X., Rhodes T.L., McKee G.R., Barada K., Yuan X., Nave M.F.F., Ashourvan A., and Holland C. // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. P. 042304. https://doi.org/10.1063/1.5090505
  71. Kramer-Flecken A., Dreval V., Soldatov S., Rogister A., Vershkov V., and the TEXTOR-team // Nucl. Fusion. 2004. V. 44. P. 1143.
  72. Arnichand H., Citrin J., Hacquin S., Sabot R., Krаmer-¨Flecken A., Garbet X., Bourdelle C., Bottereau C., Clairet F., Giacalone J.C. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2016. V. 58. P. 014037. https://doi.org/10.1088/0741-3335/58/1/014037
  73. Сергеев Н.С., Мельников А.В., Елисеев Л.Г. // Письма ЖЭТФ. 2024. Т. 119. С. 817. https://doi.org/10.31857/S1234567824110077
  74. Chen J., Brower D.L., McClenaghan J., Yan Z., Hubbard A.E., and Groebner R. // Nucl. Fusion. 2024. V. 64. P. 086054. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad5aae
  75. Beklemishev A.D., Horton W. // Phys Fluids B. 1992. V. 4. P. 200.
  76. Razumova K.A., Donne A.J.H., Andreev V.F. et al. ´ // Nuclear Fusion. 2004. V. 44. P. 1067.
  77. Melnikov A.V., Barcala J.M., Krupnik L.I., Hidalgo C., Eliseev L.G., Chmyga A.A., Chercoles J., Komarov A.D., Kozachek A.S., Khrebtov S.M. et al. // Fusion Eng. Design. 2015. V. 96. P. 724. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.01.015
  78. Melnikov A.V. et al. // 28th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2020), 2021. https://conferences.iaea.org/event/214/contributions/17104/contribution.pdf
  79. Fontana M., Porte L., Coda S., Sauter O., Brunner S., Chandrarajan Jayalekshmi, Fasoli A., Merlo G., and The TCV Team // Nuclear Fusion. 2020. V. 60. P. 016006. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab4d75
  80. Stewart S.D., McKee G., Chrystal C., Cote T., Geiger B. Khabanov F., Nelson A.O., Qin X., Paz-Soldan C., Schmitz L. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2025. V. 67. P. 025032. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ada823

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).