प्लाज्मा स्थिरता

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घाटी (दाएं) में स्थिरता से एक गेंद नीचे की ओर वापस आ जाएगी यदि द्रवित या क्षुब्ध है इस प्रकार यह गतिशील रूप से स्थिर हो। एक पहाड़ी की चोटी पर (बाएं) यदि स्थित हो तो अपने स्थिर बिंदु से दूर हो जाएगा और इस प्रकार गतिशील रूप से अस्थिर है। प्लाज़्मा में कई तंत्र होते हैं जो उन्हें कुछ शर्तों के अंतर्गत दूसरे समूह में गिरा देते हैं।

प्लाज्मा भौतिकी के अध्ययन में प्लाज्मा स्थिरता एक महत्वपूर्ण विचार है। जब प्लाज्मा (भौतिकी) युक्त प्रणाली यांत्रिक संतुलन पर होती है तो यह संभव है कि प्लाज़्मा के कुछ भाग पर कार्य करने से छोटी-छोटी विक्षोभ समस्याएँ उत्पन्न हो सकती है। प्रणाली की स्थिरता यह निर्धारित करती है कि समस्या बढ़ सकती है या अपेक्षाकृत रूप से कम हो सकती है।

कई स्थितियों में प्लाज्मा को द्रव के रूप में माना जा सकता है और इसकी स्थिरता का विश्लेषण चुंबकीय द्रवगतिकी (एमएचडी) के साथ किया जाता है। एमएचडी सिद्धांत प्लाज्मा का सबसे सरल प्रतिनिधित्व है। इसलिए परमाणु संलयन विशेष रूप से चुंबकीय संलयन ऊर्जा के लिए उपयोग किए जाने वाले स्थिर उपकरणों के लिए एमएचडी स्थिरता एक आवश्यकता है। हालाँकि अन्य प्रकार की अस्थिरताएं जैसे कि चुंबकीय दर्पणों में वेग समष्टि अस्थिरता और बीम अस्थिरता की कई दुर्लभ अस्थिरताएं हैं। चुंबकीय द्रवगतिकी सिद्धान्त द्वारा अनुमानित क्षेत्र उत्क्रमित विन्यास अस्थिर होता है लेकिन गतिज प्रभावों के कारण लगभग स्थिर माना जा सकता है।

प्लाज्मा अस्थिरता

प्लाज्मा अस्थिरता को दो सामान्य समूहों में विभाजित किया जा सकता है:

  1. द्रवगतिकीय अस्थिरता
  2. गतिज अस्थिरता

प्लाज्मा अस्थिरता को भी विभिन्न प्रकारों उदाहरण के लिए कण बीम के संदर्भ में वर्गीकृत किया जाता है:[1][2]

प्रकार
(प्रक्षेप तरंग संख्या)		 टिप्पणी विवरण रेडियल मोड विवरण
m=0 सॉसेज अस्थिरता: बीम अक्ष की दूरी के साथ बीम त्रिज्या के हार्मोनिक रूपांतर को प्रदर्शित करता है। n=0 अक्षीय क्षेत्र
n=1 मानक सॉसेज
n=2 अक्षीय पुंज
m=1 घूर्णन, बल या पाइप अस्थिरता: बीम अनुप्रस्थ काट के अनुप्रस्थ विस्थापन को उसके द्रव्यमान के केंद्र की स्थिति के अतिरिक्त रूप में या बीम विशेषताओं में परिवर्तन को दर्शाता है।
m=2 संवाहक तार: विकास बीम के अलग-अलग संवाहक तार में विभाजित स्थिति को प्रदर्शित करता है। दीर्घवृत्तीय अनुप्रस्थ काट देता है।
m=3 पियरफॉर्म (नाशपाती के आकार का) अनुप्रस्थ काट देता है।
m=4 यह प्रायः चार आपस में संबद्ध हेलिक्स से मिलकर बनता है।

प्लाज्मा अस्थिरता की सूची

एमएचडी अस्थिरता

बीटा (प्लाज्मा भौतिकी) चुंबकीय क्षेत्र की सामर्ध्य पर प्लाज्मा के दाब का अनुपात है:

[33]

संक्षिप्त लागत प्रभावी चुंबकीय संलयन प्रतिघातक के लिए उच्च बीटा पर एमएचडी स्थिरता महत्वपूर्ण है। संलयन सामर्ध्य घनत्व सामान्यतः निरंतर चुंबकीय क्षेत्र में के रूप में भिन्न होता है या बाह्य रूप से संचालित प्लाज्मा धारा के साथ विन्यास में निरंतर बूटस्ट्रैप भाग पर के रूप में होता है जहाँ सामान्यीकृत बीटा है। कई स्थितियों में एमएचडी स्थिरता बीटा पर प्राथमिक सीमा का प्रतिनिधित्व करती है। इस प्रकार संलयन सामर्ध्य घनत्व पर एमएचडी स्थिरता भी कुछ चुंबकीय विन्यासों ऊर्जा परिरोध और स्थिर-अवस्था संचालन के निर्माण और निरंतरता के विषय मे निकटता से संबद्ध होती है। महत्वपूर्ण विचार में विभिन्न प्रकार के प्लाज्मा विन्यास के उपयोग के माध्यम से स्थिरता की सीमा को समझना और विस्तारित करना या उन सीमाओं के पास विश्वसनीय संचालन के लिए सक्रिय साधन विकसित करना सम्मिलित है। इसमे शुद्ध पूर्वानुमानित क्षमताओं की आवश्यकता होती है, जिसके लिए उपस्थित एमएचडी मॉडल में नए भौतिकी को सम्मिलित करने की आवश्यकता होता है। हालांकि चुंबकीय विन्यास की एक विस्तृत श्रृंखला उपस्थित है और अंतर्निहित एमएचडी भौतिकी सभी के लिए सामान्य है। एक विन्यास में प्राप्त एमएचडी स्थिरता की समझ विश्लेषणात्मक सिद्धांतों की पुष्टि करके, पूर्वानुमानित एमएचडी स्थिरता कोड के लिए बेंचमार्क प्रदान करके या सक्रिय नियंत्रण तकनीकों के विकास को आगे बढ़ाकर दूसरी स्थिरता को विकसित किया जा सकता है।

चुंबकीय संलयन के लिए सबसे मौलिक और महत्वपूर्ण स्थिरता का विषय यह है कि एमएचडी अस्थिरता प्रायः उच्च बीटा पर प्रदर्शन को सीमित करती है। अधिकांश स्थितियों में महत्वपूर्ण अस्थिरताएं लंबी तरंग दैर्ध्य, वैश्विक मोड मे होती हैं क्योंकि ऊर्जा की कमी या प्लाज्मा की समाप्ति के अधिक क्षरण की क्षमता के कारण कुछ महत्वपूर्ण उदाहरण आदर्श किंक मोड, प्रतिरोधक मोड और नियोक्लासिकल उद्धत मोड जो कई चुंबकीय विन्यासों के लिए सामान्य हैं। स्थिरता सीमाओं के उल्लंघन की एक संभावित परिणामी समस्या है ऊष्मीय ऊर्जा की आकस्मिक हानि प्रायः निर्वहन की समाप्ति के बाद होती है। मुख्य विषय में संबंधित ऊष्मीय और चुंबकीय तनाव सहित विभिन्न विन्यासों में बीटा सीमा की प्रकृति को समझना और सीमाओं से बचने या परिणामों को अपेक्षाकृत कम करने के प्रकारों को खोजना सम्मिलित है। इस प्रकार की अस्थिरता को रोकने के लिए दृष्टिकोण की एक विस्तृत श्रृंखला जांच के अधीन है, जिसमें प्लाज्मा के विन्यास का अनुकूलन और इसके निर्धारित उपकरण प्लाज्मा की आंतरिक संरचना का नियंत्रण या एमएचडी अस्थिरताओं का सक्रिय नियंत्रण सम्मिलित है।

आदर्श अस्थिरता

धारा या दाब प्रवणताओं द्वारा संचालित आदर्श एमएचडी अस्थिरता अधिकांश विन्यासों के लिए अंतिम परिचालन सीमा का प्रतिनिधित्व करती है। दीर्घ-तरंगदैर्घ्य किंक मोड और लघु-तरंगदैर्घ्य वायुस्फायन मोड सीमाएं सामान्यतः अच्छी तरह से समझी जाती हैं सामान्यतः इससे सिद्धांतिक रूप में बचा जा सकता है।

माध्यमिक-तरंग दैर्ध्य मोड (उदाहरण के लिए टोकामेक एज प्लाज्मा में सामना किए गए n ~ 5-10 मोड) स्थिरता गणनाओं की कम्प्यूटेशनल रूप से सघन प्रकृति के कारण कम अच्छी तरह से समझे जाते हैं। टोकामेक के लिए व्यापक बीटा सीमा डेटाबेस आदर्श एमएचडी स्थिरता सीमा के अनुरूप है उन स्थितियों के लिए बीटा में लगभग 10% के भीतर समझौता करना जहां प्लाज्मा के आंतरिक वर्णन को शुद्ध रूप से मापा जाता है। यह समझौता अन्य विन्यासों के लिए और प्रोटोटाइप फ्यूजन प्रतिघातकों के डिजाइन में आदर्श स्थिरता गणनाओं में विश्वास प्रदान करता है।

प्रतिरोधी दीवार मोड

प्रतिरोधी दीवार मोड (आरडब्लूएम) प्लाज्मा में विकसित होते हैं जिन्हें स्थिरता के लिए पूरी तरह से संचालन वाली दीवार की उपस्थिति की आवश्यकता होती है। कई चुंबकीय विन्यासों के लिए आरडब्लूएम स्थिरता एक प्रमुख विषय है। टोकामेक, तारकीय यंत्र और अन्य विन्यासों में पास की दीवार के अतिरिक्त मध्यम मे बीटा मान संभव हैं, लेकिन पास की संवाहक दीवार अधिकांश विन्यासों में आदर्श किंक मोड स्थिरता में अपेक्षाकृत सुधार कर सकती है जिसमें टोकामेक, एसटी, उत्क्रमित क्षेत्र पिंच (आरएफपी), स्फेरोमाक और संभवतः एफआरसी सम्मिलित हैं। उन्नत टोकामेक और एसटी में बड़े बूटस्ट्रैप भाग के साथ संचालन के लिए दीवार स्थिरीकरण महत्वपूर्ण है। स्फेरोमाक को m, n और स्थानान्तरित मोड के साथ संभवतः बंकन मोड से बचने के लिए दीवार स्थिरीकरण की आवश्यकता होती है। हालांकि गैर-आदर्श दीवार की उपस्थिति में, धीरे-धीरे बढ़ने वाला आरडब्ल्यूएम अस्थिर होता है। प्रतिरोधी दीवार मोड आरएफपी के लिए एक लंबे समय से चलने वाला विषय है। हाल ही में टोकामेक प्रयोगों में देखा गया है कि आरडब्लूएम की भौतिकी को समझने और इसे स्थिर करने के साधनों को विकसित करने में प्रगति सभी चुंबकीय विन्यासों पर प्रयुक्त हो सकती है। प्लाज्मा घूर्णन मे इसके स्रोतों और आरडब्लूएम को स्थिर करने के लिए इसकी भूमिका को समझना प्रमुख विषय बना हुआ है।

प्रतिरोधी अस्थिरता

प्रतिरोधी अस्थिरता सभी चुंबकीय विन्यासों के लिए एक समस्या है क्योंकि यह प्रारम्भिक आदर्श सीमा से नीचे बीटा मानों पर हो सकती है। एक प्रबल बूटस्ट्रैप धारा के साथ चुंबकीय विन्यास के लिए नियोक्लासिकल उद्धत मोड (एनटीएम) की स्थिरता एक प्रमुख समस्या है। एनटीएम एक मितस्थायी मोड है कुछ प्लाज्मा विन्यासों में "बीज द्वीप" द्वारा उत्पादित बूटस्ट्रैप धारा का पर्याप्त रूप से बड़ा विरूपण द्वीप के विकास में योगदान कर सकता है। एनटीएम पहले से ही कई टोकामेक प्रयोगों में एक महत्वपूर्ण प्रदर्शन-सीमित कारक है, जिससे अवक्रमित परिरोधन या व्यवधान होता है। हालांकि आधारिक तंत्र अच्छी तरह से स्थापित है, वर्तमान और भविष्य के उपकरणों में प्रारम्भिक पूर्वानुमान करने की क्षमता के लिए अवमंदक तंत्र की अपेक्षाकृत समझ की आवश्यकता होती है जो थ्रेसहोल्ड द्वीप आकार और मोड युग्मन का निर्धारण करती है। जिसके द्वारा अन्य अस्थिरताएं (जैसे कि टोकामेक में सतीथ) कर सकते हैं। प्रतिरोधक वायुस्फायन मोड, आदर्श वायुस्फायन के समान परिमित प्रतिरोधकता को ध्यान में रखते हुए, प्रतिरोधक अस्थिरता का एक और उदाहरण प्रदान करता है।

एमएचडी स्थिरता में सुधार के अवसर

विन्यास संरूपण

प्लाज़्मा का विन्यास संरूपण और इसके सीमाबद्ध उपकरण से एमएचडी स्थिरता में सुधार करने के अवसर का प्रतिनिधित्व करते हैं। आदर्श एमएचडी स्थिरता के लिए निर्वहन आकार और निम्न दृष्टिकोण अनुपात के लाभों को टोकामेक और एसटीएस में स्पष्ट रूप से प्रदर्शित किया गया है और डीआईआईआईडी, अल्केटर सी-मॉड, राष्ट्रीय गोलाकार टोरस प्रयोग और एमएपीएसटी जैसे प्रयोगों में इसकी जांच प्रारम्भ की गयी है। राष्ट्रीय संक्षिप्त तारकीय प्रयोग (प्रस्तावित) जैसे नए तारकीय प्रयोग इस पूर्वानुमान का परीक्षण करते है कि उपयुक्त रूप से डिज़ाइन किए गए घूर्णित कुंडली के अतिरिक्त उच्च बीटा पर आदर्श किंक मोड को स्थिर कर सकते हैं या एचएसएक्स में वायुस्फायन स्थिरता के निम्न-बीटा परीक्षण संभव हैं। नए एसटी प्रयोग पूर्वानुमानों का परीक्षण करने का अवसर प्रदान करते हैं कि अपेक्षाकृत कम दृष्टिकोण अनुपात एक बड़े पोर्स्चवाद-श्ल्यूटर धारा सिद्धान्त से संबद्ध एक बड़े स्थिर "ग्लासर प्रभाव" शब्द के माध्यम से नियोक्लासिकल सहित एनटी मोड के प्रकारों की स्थिरता में सुधार करता है। अर्ध-पेचदार और अर्ध-सर्वव्यापी तारकीय विन्यास में बूटस्ट्रैप धारा को कम करके नियोक्लासिकल एनटी मोड से बचा जा सकता है। बूटस्ट्रैप धारा और चुम्बकीय विभाजन के उपयुक्त सापेक्ष संकेतों के साथ नियोक्लासिकल टियरिंग मोड को भी स्थिर किया जाता है। यह पूर्वानुमान टोकामेक के केंद्रीय ऋणात्मक अपरूपण क्षेत्रों में एनटीएम की अनुपस्थिति द्वारा समर्थित है। तारकीय विन्यास जैसे प्रस्तावित एनसीएसएक्स एक अर्ध-अक्षीय तारकीय डिजाइन एनटीएम को स्थिरता प्राप्त करने के लिए ऋणात्मक चुंबकीय विभाजन और धनात्मक बूटस्ट्रैप धारा के साथ बनाया जा सकता है। एक प्रतिरोधी दीवार द्वारा किंक मोड स्थिरीकरण आरएफपी और टोकामेक में प्रदर्शित किया गया है और एसटी (एनएसटीएक्स) या स्फेरोमाक्स (एसएसपीएक्स) सहित अन्य विन्यासों का परीक्षण किया गया है। प्रवाहित होने वाले द्रव्य लिथियम द्वारा प्रतिरोधी दीवार मोड को स्थिर करने के लिए एक नए प्रस्ताव या मूल्यांकन की आवश्यकता होती है।

आंतरिक संरचना

प्लाज्मा की आंतरिक संरचना का नियंत्रण एमएचडी अस्थिरताओं से अधिक सक्रिय परिवर्जन की स्वीकृति देता है। उपयुक्त धारा घनत्व को बनाए रखना उदाहरण के लिए एनटी मोड में स्थिरता बनाए रखने में सहायता कर सकता है। बाहरी ऊष्मा और धारा परिचालन स्रोतों के साथ दाब और धारा घनत्व का विवृत-लूप अनुकूलन कई उपकरणों में नियमित रूप से उपयोग किया जाता है। स्थानीय ऊष्मा और धारा परिचालन स्रोतों के साथ आएक्षाकृत सूक्ष्म ​​माप अब उपलब्ध हो रही हैं। निकट धारा में आंतरिक वर्णन की सक्रिय प्रतिक्रिया नियंत्रण की स्वीकृति होती है। अधिकांश बड़े टोकामेकों (संयुक्त यूरोपीय टोरस, जीटी-60, डीआईआईआईडी, सी-मॉड और एएसडीईएक्स-यू) में आरएफ ऊष्मा और धारा परिचालन का उपयोग करते हुए इस प्रकार का कार्य प्रारम्भ या योजनाबद्ध है। वर्णित आंकड़ा का वास्तविक समय विश्लेषण जैसे एमएसई धारा मापन और स्थिरता सीमाओं की वास्तविक समय पहचान नियंत्रण के आवश्यक घटक हैं। यह प्रायः जटिल प्लाज़्मा घूर्णन प्रतिरोधी दीवार मोड को स्थिर कर सकता है, जैसा कि टोकामेक प्रयोगों में दिखाया गया है और प्रतिरोधी मोड को स्थिर करने के लिए घूर्णी विभाजन का पूर्वनिमान किया जाता है। इन पूर्वानुमानों का परीक्षण करने के अवसर एसटी, स्फेरोमैक और एफआरसी जैसे विन्यासों द्वारा प्रदान किए जाते हैं जिनमें एक बड़ा प्राकृतिक प्रतिचुंबकीय घूर्णन होता है साथ ही तटस्थ बीम अंतः क्षेपण द्वारा संचालित घूर्णन वाले टोकामेक भी होते हैं। विद्युतीय टोकामेक प्रयोग का उद्देश्य एक बहुत बड़ा संचालित घुमाव है, जो अल्फवेनिक परिस्थिति के निकट है जहां आदर्श स्थिरता भी प्रभावित हो सकती है। पर्याप्त प्लाज्मा घूर्णन को बनाए रखना और घूर्णन अवमंदन में आरडब्ल्यूएम की संभावित भूमिका महत्वपूर्ण विषय हैं जिसकी इन प्रयोगों के आधार पर जांच की जा सकती है।

प्रतिक्रिया नियंत्रण

एमएचडी अस्थिरताओं के सक्रिय प्रतिक्रिया नियंत्रण को "निष्क्रिय" स्थिरता सीमा मे संचालन की स्वीकृति देनी चाहिए। तर्कसंगत सतह पर स्थानीयकृत आरएफ ड्राइव मे एनटी मोड द्वीपों को अपेक्षाकृत कम करने या समाप्त करने का पूर्वानुमान किया जाता है। एएसडीईएक्सयू और दिक्सूचक-डी में प्रयोग सुविधाजनक परिणामों के साथ प्रारम्भ हो गए हैं और डीआईआईआईडी में अगले वर्ष के लिए योजना बनाई गई है। सामान्यीकृत प्लाज्मा स्थितियों में ऐसी तकनीक के नियमित उपयोग के लिए अस्थिर मोड और उसके त्रिज्य अवस्थिति की वास्तविक समय पहचान की आवश्यकता होती है यदि प्रतिरोधक दीवार मोड को स्थिर करने के लिए आवश्यक प्लाज्मा घूर्णन को बनाए नहीं रखा जा सकता है तो बाहरी कुंडली के साथ प्रतिक्रिया स्थिरीकरण की आवश्यकता होती है। डीआईआईआई-डी और एचबीटी-ईपी में पुनर्निवेशन प्रयोग प्रारम्भ हो गए हैं और आरएफपी या अन्य विन्यास के लिए पुनर्निवेशन नियंत्रण का पता लगाया जाना आवश्यक है क्योकि इन सक्रिय नियंत्रण तकनीकों की भौतिकी समझ विन्यासों के बीच प्रत्यक्ष रूप से प्रयुक्त होती है।[clarification needed]

न्यूनीकरण व्यवधान

एमएचडी स्थिरता में सुधार के लिए ऊपर जिन तकनीकों पर चर्चा की गई है, वे व्यवधानों से बचने के प्रमुख साधन हैं। हालाँकि यदि ये तकनीकें अस्थिरता को नहीं रोकती हैं तो व्यवधान के प्रभाव को विभिन्न तकनीकों द्वारा अपेक्षाकृत कम किया जा सकता है। जेटी-60 के प्रयोगों ने ऊर्ध्वाधर स्थिरता के लिए तटस्थ बिंदु पर संचालन के माध्यम से विद्युत चुम्बकीय तनाव में कमी का प्रदर्शन किया है। टोकामेक प्रयोगों में एक बड़े गैस पिष्टक या अशुद्धता गोली के अंतः क्षेपण द्वारा प्लाज्मा ऊर्जा मे पूर्व-रिक्त विभाजन का प्रदर्शन किया गया है। सी-मॉड, जेटी-60, एएसडीईएक्स-यू, और डीआईआईआई-डी में चल रहे प्रयोग समझ में सुधार कर सकते है। हीलियम का निम्नतापीय द्रव जेट एक अन्य प्रस्तावित तकनीक है, जिसकी आवश्यकता बड़े उपकरणों के लिए हो सकती है। टोकामेक के लिए विकसित न्यूनीकरण तकनीक प्रत्यक्ष रूप से अन्य विन्यासों पर प्रयुक्त हो सकती है।

यह भी देखें

संदर्भ

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