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Anomalous Escape of Ions into the ''Loss Cone''; Sortie Anormale d'Ions dans Le Cone de Pert; Anomal'nyj ukhod ionov v konus poter'; Escape Anomalo de Iones al Cono de Perdid

Abstract

The non-equilibrium characteristics of a plasma contained in a magnetic mirror trap lead to the appearance of the ''flute'', the ''universal'' and anisotropic instabilities considerably limiting the containment times of the particles. It is now held that the flute instability can-be suppressed by using a special magnetic field design (the minimum B field). The universal instability, which is due to the inhomogeneous plasma distribution across the magnetic field, is eliminated by a relatively small shear of the magnetic lines of force. On the other hand, as was shown recently by Rosenbluth and Post, in a plasma of sufficiently large density, n Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 13} cm{sup -3}, and length, L Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 4{lambda}}{sub D}, ({lambda}{sub D} being the Debye radius), even the slight anisotropy in the ion velocity distribution associated with the ''loss cone'' leads to the development of a shortwave instability. A detailed analysis is therefore made of the spectrum of the resulting turbulent motion and of the anomalous transfer processes taking place in the unstable plasma. In traps of finite length L, the anomalously rapid diffusion of particles into the loss cone leads to the filling of this cone, so that the instability is attenuated. This allows the use,  More>>
Authors:
Galeev, A. A. [1] 
  1. Institut Jadernoj Fiziki so AN SSSR, Novosibirsk, SSSR (Russian Federation)
Publication Date:
Apr 15, 1966
Product Type:
Conference
Report Number:
IAEA-CN-21/214
Resource Relation:
Conference: Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, Culham (United Kingdom), 6-10 Sep 1965; Other Information: 20 refs.; Related Information: In: Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research Vol. I. Proceedings of a Symposium on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research| 792 p.
Subject:
70 PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY; AUXILIARY SYSTEMS; COMPARATIVE EVALUATIONS; ENERGY DENSITY; ENERGY LOSSES; ENERGY YIELD; FLUTE INSTABILITY; INHOMOGENEOUS PLASMA; KINETIC EQUATIONS; LARMOR RADIUS; LOSS CONE; MAGNETIC FIELDS; MAGNETIC MIRRORS; PARTICLES; PHASE VELOCITY; PLASMA DENSITY; PLASMA WAVES; QUASILINEAR PROBLEMS; QUIESCENT PLASMA; THERMONUCLEAR REACTIONS
OSTI ID:
22117298
Research Organizations:
International Atomic Energy Agency, Vienna (Austria)
Country of Origin:
IAEA
Language:
Russian
Other Identifying Numbers:
Other: ISSN 0074-1884; TRN: XA13M2224073919
Submitting Site:
INIS
Size:
page(s) 393-416
Announcement Date:
Aug 01, 2013

Citation Formats

Galeev, A. A. Anomalous Escape of Ions into the ''Loss Cone''; Sortie Anormale d'Ions dans Le Cone de Pert; Anomal'nyj ukhod ionov v konus poter'; Escape Anomalo de Iones al Cono de Perdid. IAEA: N. p., 1966. Web.
Galeev, A. A. Anomalous Escape of Ions into the ''Loss Cone''; Sortie Anormale d'Ions dans Le Cone de Pert; Anomal'nyj ukhod ionov v konus poter'; Escape Anomalo de Iones al Cono de Perdid. IAEA.
Galeev, A. A. 1966. "Anomalous Escape of Ions into the ''Loss Cone''; Sortie Anormale d'Ions dans Le Cone de Pert; Anomal'nyj ukhod ionov v konus poter'; Escape Anomalo de Iones al Cono de Perdid." IAEA.
@misc{etde_22117298,
title = {Anomalous Escape of Ions into the ''Loss Cone''; Sortie Anormale d'Ions dans Le Cone de Pert; Anomal'nyj ukhod ionov v konus poter'; Escape Anomalo de Iones al Cono de Perdid}
author = {Galeev, A. A.}
abstractNote = {The non-equilibrium characteristics of a plasma contained in a magnetic mirror trap lead to the appearance of the ''flute'', the ''universal'' and anisotropic instabilities considerably limiting the containment times of the particles. It is now held that the flute instability can-be suppressed by using a special magnetic field design (the minimum B field). The universal instability, which is due to the inhomogeneous plasma distribution across the magnetic field, is eliminated by a relatively small shear of the magnetic lines of force. On the other hand, as was shown recently by Rosenbluth and Post, in a plasma of sufficiently large density, n Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 13} cm{sup -3}, and length, L Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 4{lambda}}{sub D}, ({lambda}{sub D} being the Debye radius), even the slight anisotropy in the ion velocity distribution associated with the ''loss cone'' leads to the development of a shortwave instability. A detailed analysis is therefore made of the spectrum of the resulting turbulent motion and of the anomalous transfer processes taking place in the unstable plasma. In traps of finite length L, the anomalously rapid diffusion of particles into the loss cone leads to the filling of this cone, so that the instability is attenuated. This allows the use, for the description of turbulent transfer processes in a plasma, of the quasilinear theory supplemented by the kinetic equation for the energy density of the plasma oscillations. The maximum scale of the pulsations which are built up is determined by the condition of feeble attenuation near the ends of the trap, where, the phase velocity becomes comparable to the mean thermal velocity of the electrons. The escape time into the loss cone arising from scattering of the ions mainly at the large-scale pulsations depends essentially on the length of the device ({Omega}{sub H}{tau}-10{sup 5}R{sub H}/L: where R{sub H} is the Larmor radius of the thermal ions). The escape time of the particles from the trap through the magnetic minors is determined by the longest of these escape times ({tau}, T Almost-Equal-To L/v{sub i}; v{sub i} being the ion thermal velocity). The results are used to assess the possibility of controlled thermonuclear fusion in a magnetic mirror trap. For the purpose of this evaluation the optimum trap parameters according to Post were used, based on a comparison of the energy losses from a quiescent plasma in a magnetic mirror trap, the losses in the auxiliary systems and the total energy yield of the thermonuclear reaction. The plasma lifetime in such a trap is determined by the transit time of the thermal ions between the magnetic mirrors, and it is not sufficiently long to make possible an economically favourable thermonuclear fusion. (author) [French] Le desequilibre du plasma confine dans une machine a miroirs magnetiques entraine l'apparition d'instabilites 'en cannelures ' , 'universelles' et anisotropes qui limitent notablement la duree du confinement des particules. On considere actuellement que l'instabilite en cannelures peut etre neutralisee grace a un choix particulier de la geometrie du champ magnetique (que l'on appelle la configuration a B minimum). L'instabilite universelle, qui est fonction de la non-homogeneite de la repartition du plasma a travers le champ magnetique, est egalement neutralisee par un croisement relativement reduit des lignes de force du champ magnetique. D'autre part, Rosenbluth et Post ont remarque recemment que, dans un plasma de densite suffisante n Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 13} cm{sup -3} et d'une longueur suffisante L Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 4{lambda}}{sub D} (ou {lambda}{sub D} represente le rayon de Debyey une anisotropic assez faible dans la distribution des ions, dont les vitesses sont liees a la presence du ' cone de perte ', entraine l'apparition d'une instabilite a ondes courtes. A cet egard, l'auteur analyse en detail le spectre du mouvement de turbulence qui se produit et les processus anormaux de transport dans le plasma instable. Dans les machines de longueur finie L, il arrive que la diffusion anormalement rapide des particules dans le cine de perte conduise a son remplissage et que l'instabilite s'amortisse. On peut tirer parti de ce phenomene pour decrire des processus turbulents de transport par la theorie quasi lineaire, completee par une equation cinetique pour la densite - d'energie des oscillations du plasma. L'amplitude maximale des1 bouffees obtenues est determinee par leur faible amortissement dans' la zone des limites de la-machine, ou la vitesse de phase devient comparable a la vitesse thermique moyenne des electrons. Pour cette raison, le moment ou les particules s'echappent en bouffees importantes par le cine de perte du fait de la diffusion des ions depend essentiellement de la longueur de l'installation ({Omega}{sub H}{tau}-10{sup 5}R{sub H}/L, R{sub H} representant le rayon de Larmor des ions thermiques). On determine le moment ou les particules sortent de la machine a travers les miroirs magnetiques en se fondant sur la valeur maximum du temps caracteristique ( {tau}, T Almost-Equal-To L/v{sub i}; v{sub i} representant la vitesse thermique de l'ion). L'auteur utilise les resultats obtenus pour evaluer les possibilites de realisation d'une fusion thermonucle- . aire controlee dans la machine a miroirs magnetiques. Dans cette evaluation, il utilise les valeurs des parametres 'optimaux de la machine, qui ont ete trouves par Post grace a une comparaison des pertes d'energie du plasma,calme dans une machine a miroirs magnetiques, et des pertes dans les systemes auxiliaires avec liberation d'energie par reaction thermonucleaire. La duree de vie du plasma dans une machine de- ce genre est determinee par le temps de vol des ions thermiques entre les miroirs magnetiques et est insuffisante pour. realiser une fusion thermonucleaire presentant des avantages economiques. (author) [Spanish] La falta de uniformidad del plasma confinado en una trampa con espejos magneticos da lugar a la formacion de,inestabilidad es de las clases 'estriada', 'universal ' y anisotropa, las cuales limitan sustancialmente el tiempo de confinamiento de las particulas. Segun se interpreta actualmente la inestabilidad estriada, puede eliminarse utilizando una geometria del campo magnetico de tipo especial (que se denomina configuracion de B minimo). La inestabilidad universal, debida a la falta de homogeneidad en la distribucion del plasma en direccion transversal al campo magnetico, tambien se estabiliza con un cruzamiento relativamente pecuieno de las lineas de fuerza del campo magnetico. Por otro lado, Rosenbluth y Post observaron recientemente que, en un plasma de suficiente densidad n Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 13} cm{sup -3}, y longitud L Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 4{lambda}}{sub D} ({lambda}{sub D} = radio de Debye), incluso una pequena anisotropia de la descripcion de velocidades de los iones, por la presencia de un 'cono de perdidas ' da origen al desarrollo de una inestabilidad de onda corta. En la memoria se analiza por tanto detalladamente el espectro del movimiento turbulento que aparece-y los procesos anomalos de transporte en el plasma inestable. En las trampas de longitud total L resulta que la difusion anormalmente rapida de las particulas al cono de perdidas hace que este se llene y la inestabilidad disminuye. Esto permite aprovechar, para la descripcion de los procesos turbulentos del transporte, la teoria cuasilineal, complementada con la ecuacion cinetica de la densidad energetica de las oscilaciones del plasma. La escala maxima de las pulsaciones transmitidas se determina basandose en la condicion de la pequenez de su amortiguamiento en la legion de los extremos de la trampa, donde la velocidad de fase es com parable con la velocidad termica media de los electrones. Por lo tanto, el tiempo de salida al cono de perdidas a causa de la dispersion de los iones, fundamentalmente en las pulsaciones de gran escala, depende esencialmente de la longitud de la instalacion ({Omega}{sub H}{tau}-10{sup 5}R{sub H}/L; R{sub H} = radio de Larmor de los iones termicos). El tiempo de escape de las particulas, desde la trampa, a traves de los espejos magneticos queda determinado por el tiempo maximo ({tau}, T Almost-Equal-To L/v{sub i}; v{sub i} = velocidad termica del ion). Los resultados obtenidos sirven para estimar la posibilidad de lograr una fusion termonuclear regulada en una trampa con espejos magneticos. Para hacer esta estimacion se han utilizado los valores de los parametros optimos de la trampa, obtenidos por Post mediante la comparacion de las perdidas de energia de un plasma en calma, en un sistema de espejos, y de las perdidas en los sistemas auxiliares, con la produccion total de energia en la reaccion termonuclear. Se muestra que la vida del plasma en dicha trampa esta determinada por el tiempo de transito de los iones termicos entre los espejos magneticos y que no es suficiente para el aprovechamiento de la fusion termonuclear en condiciones economicas. (author) [Russian] Neravnovesnost' plazmy, uderzhivaemoj v lovushke s magnitnymi probkami, privodit k vozniknoveniju zhelobkovoj, universal'noj i anizotropnoj neustojchivosti, kotorye sushhestvenno ogranichivajut vremja uderzhanija chastic. Zhelobkovaja neustojchivost', kak sejchas schitajut, mozhet byt' podavlena special'nym vyborom geometrii magnitnogo polja (tak nazyvaemye minimum V - konfiguracii). Universal'naja neustojchivost', objazannaja neodnorodnosti raspredelenija plazmy poperek magnitnogo polja takzhe stabiliziruetsja pri sravnitel'no maloj perekreshhennosti silovyh linij magnitnogo polja. S drugoj storony, Rozenbljut i Post nedavno zametili, chto v plazme dostatochnoj plotnosti ni n Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 13} cm{sup -3} i dostatochnoj dliny L Greater-Than-Or-Equivalent-To 10{sup 4{lambda}}{sub D} (gde {lambda}{sub D} - debaevskij radius) uzhe slabaja anizotropija raspredelenija ionov po skorostjam iz-za nalichija konusa poter' privodit k razvitiju korotkovolnovoj neustojchivosti. V svjazi s jetim v rabote podrobno analizirujutsja spektr voznikajushhego turbulentnogo dvizhenija i anomal'nye processy perenosa v neustojchivoj plazme. V lovushkah konechnoj dliny L okazyvaetsja, chto anomal'no bystraja diffuzija chastic v konus poter' privodit k ego zapolneniju i neustojchivost' oslabljaetsja. Jeto pozvoljaet vospol'zovat'sja dlja opisanija turbulentnyh processov perenosa kvazilinejnoj teoriej, dopolnennoj kineticheskim uravneniem dlja spektral'noj plotnosti jenergii kolebanij plazmy. Naibol'shij masshtab raskachivaemyh pul'sacij opredeljaetsja usloviem malosti ih zatuhanija v oblasti torcov lovushki, gde fazovaja skorost' stanovitsja sravnimoj so srednej teplovoj skorost'ju jelektronov. Pojetomu vremja vyhoda v konus poter' za schet rassejanija ionov v osnovnom na krupnomasshtabnyh pul'sacijah sushhestvenno zavisit ot dliny ustanovki ({Omega}{sub H}{tau}-10{sup 5}R{sub H}/L; R{sub H} - larmorovskij radius teplovyh ionov). Vremja vyhoda iz lovushki cherez mag-- nitnye probki opredeljaetsja maksimal'nym iz vremen ({tau}, T Almost-Equal-To L/v{sub i}; v{sub i} -teplovaja skorost' iona). Poluchennye rezul'taty primenjajutsja k ocenke vozmozhnosti osushhestvlenija reguliruemogo termojadernogo sinteza v lovushke s magnitnymi probkami. Pri ocenke ispol'zovalis' znachenija optimal'nyh parametrov lovushki, najdennyh Postom iz sravnenija poter' jenergii iz spokojnoj plazmy v probkotrone, poter' vo vspomogatel'nyh sistemah s summarnym vyhodom jenergii v termojadernoj reakcii. Pokazano, chto vremja zhizni plazmy v takoj lovushke opredeljaetsja vremenem proleta teplovyh ionov mezhdu magnitnymi probkami i nedostatochno dlja osushhestvlenija jekonomicheski vygodnogo termojadernogo sinteza. (author)}
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year = {1966}
month = {Apr}
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