Application of electrode-driven shear flows for improved plasma confinement

Abstract

In open magnetic configurations (open traps, SOL) it is possible to control the plasma potential along magnetic field lines via external electrodes. This is a possibility for direct drive of shear flows and suppression of instabilities if there is a sufficient electrical contact of plasma with electrodes (such contact occurs across the Debye sheath and is not particularly good even in 100eV plasmas). In contrast to the ITB shear flows, the governing equations in this case are strongly dissipative: the same electrical contact (line-tying) that allows control of the plasma potential negates conservation of energy and enstrophy for long-wavelength perturbations. Thus, the electrode-driven shear flows are not particularly good for simulation of ITB physics. We show that nevertheless they can allow achievement of improved-confinement regimes in open traps. Due to their dissipative nature the generated flow layers possess structural stability that can be used for fast saturation of flute modes of different origin. Theoretical analysis is compared with experimental data from the gasdynamic trap in Novosibirsk, the GDT.

В открытых магнитных конфигурациях (открытых ловушках, SOL) можно управлять потенциалом плазмы с помощью электродов. Это позволяет напрямую возбуждать сдвиговые течения и, возможно, подавлять неустойчивости, если существует достаточный контакт плазмы с электродами (этот контакт происходит через дебаевский слой и, поэтому, не слишком хорош в плазме с температурой порядка или больше 100 эВ). В отличие от сдвиговых течений во внутренних транспортных барьерах токамаков (ITB), этот случай описывается сильно диссипативными уравнениями: тот же самый электрический контакт (line-tying), который позволяет управление потенциалом плазмы, уничтожает сохранение энергии и энстрофии для длинноволновых возмущений. Таким образом, рассматриваемая задача не может служить для моделирования внутренних транспортных барьеров. Мы покажем, что, тем не менее, рассматриваемые сдвиговые течения могут использоваться для улучшения удержания плазмы в открытых магнитных конфигурациях. Из-за их диссипативной природы генерируемые течения обладают структурной устойчивостью, что приводит к быстрому насыщению желобковых мод различной природы. Теоретический анализ сравнивается с экспериментальными данными, полученными на установке ГДЛ в Новосибирске.

У відкритих магнітних конфігураціях (відкритих пастках, SOL) можна керувати потенціалом плазми за допомогою електродів. Це дозволяє безпосередньо збуджувати зсувні течії і, ймовірно, придушувати нестійкості, якщо існує достатній контакт плазми з електродами (цей контакт відбувається крізь дебаєвський шар і тому не дуже приємний для плазми з температурою порядку або більше 100 еВ). На відміну від зсувних течій у внутрішніх транспортних бар'єрах токамаків (ITB), цей випадок описується сильно диссипативними рівняннями: той же самий електричний контакт (line-tying), що дозволяє керування потенціалом плазми, знищує збереження енергії і енстрофії для довгохвильових збурювань. Таким чином, розглянута задача не може служити для моделювання внутрішніх транспортних бар'єрів. Ми покажемо, що проте розглянуті зсувні течії можуть використовуватися для поліпшення утримання плазми у відкритих магнітних конфігураціях. Через їх диссипативну природу течії, що генеруються, мають структурну стійкість, що приводить до швидкого насичення жолобкових мод різної природи. Теоретичний аналіз порівнюється з експериментальними даними, отриманими на установці ГДП у Новосибірську.