Application of electrode-driven shear flows for improved plasma confinement

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

Magnetic mirrors: history, results, and future prospects

The evolution of open traps brought them from simple solenoids to highly sophisticated and huge tandem mirrors with quadrupole magnetic stabilizers. They tried to compete with toroidal devices using ambipolar confinement and thermal barriers, but were too late and failed, and are almost extinct. A side branch of open traps went for simplicity and good fast-ion confinement inherent in axially symmetric mirrors. Since simplicity means lower cost of construction and servicing, and lower engineering and materials demands, such type of traps might still have an edge. Axially symmetric mirrors at the Budker Institute of Nuclear Physics in Novosibirsk currently represent the frontline of mirror research. We discuss recent experimental results from the multiple-mirror trap, GOL-3 [1], and the gas-dynamic trap, GDT [2]. The next step in this line of research is the GDMT program that will combine the GDT-style fast-ion-dominated central mirror with multiple-mirror end plugs. This superconducting device will be modular and built in stages. The first stage, GDMT-T, will be based on 5m, 7T superconducting solenoid (multiple-mirror plug of the full device). Its 3-year scientific program is oriented primarily on PMI studies.Эволюция открытых ловушек привела их от простых соленоидов к сложнейшим тандемным ловушкам с квадрупольными стабилизаторами. Они вступили в конкуренцию с токамаками, используя амбиполярное удержание и термобарьеры, но проиграли, и сейчас близки к полному исчезновению. Боковая ветвь открытых ловушек осталась осесимметричной и сохранила простоту и хорошее удержание быстрых ионов. Поскольку простота конструкции означает меньшую стоимость строительства и обслуживания, и меньшие требования к конструкционным материалам, такие ловушки по-прежнему жизнеспособны. Осесиммет- ричные ловушки Института ядерной физики им. Будкера в настоящее время являются наиболее передовыми в мире. Мы обсуждаем свежие экспериментальные результаты многопробочной ловушки ГОЛ-3 [1] и газодинамической ловушки ГДЛ [2]. Следующий шаг на этом пути – программа ГДМЛ, которая совместит центральный пробкотрон с плещущимися ионами в стиле ГДЛ с многопробочными секциями для подавления продольных потерь. Эта сверхпроводящая установка будет модульной и будет строиться поэтапно. Первый этап, ГДМЛ-Т, основан на пятиметровом сверхпроводящем соленоиде концевой многопробочной секции с полем 7 Тл. Трёхлетняя научная программа ГДМЛ-Т нацелена на исследование взаимодействия диверторной плазмы с металлами.Еволюція відкритих пасток привела їх від простих соленоїдів до найскладніших тандемних пасток з квадрупольними стабілізаторами. Вони вступили в конкуренцію з токамаками, використовуючи амбіполярне утримання та термобар’єри, але програли і зараз близькі до повного зникнення. Бічна гілка відкритих пасток залишилася осесиметричною і зберегла простоту і гарне утримання швидких іонів. Оскільки простота конструкції означає меншу вартість будівництва і обслуговування, і менші вимоги до конструкційних матеріалів, такі пастки, як і раніше, життєздатні. Осесиметричні пастки Інституту ядерної фізики ім. Будкера в даний час є найбільш передовими в світі. Ми обговорюємо свіжі експериментальні результати багатопробочної пастки ГОЛ-3 [1] і газодинамічної пастки ГДЛ [2]. Наступний крок на цьому шляху − програма ГДМЛ, яка поєднає центральний пробкотрон з іонами, що плескаються, у стилі ГДЛ багатопробочними секціями для придушення поздовжних втрат. Ця надпровідна установка буде модульною і буде будуватися поетапно. Перший етап, ГДМЛ-Т, заснований на п’ятиметровому надпровідному соленоїді кінцевої багатопробочної секції з полем 7 Тл. Трирічна наукова програма ГДМЛ-Т націлена на дослідження взаємодії диверторноі плазми з металами