научная статья по теме ФОРМА МАГНИТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОМ ТОРЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОРМА МАГНИТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОМ ТОРЕ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 4, с. 308-312

= ТОКАМАКИ

УДК 533.9.01

ФОРМА МАГНИТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОМ ТОРЕ

© 2013 г. А. А. Сковорода

НИЦ "Курчатовский институт", Институт физики токамаков, Москва, Россия

e-mail:skovorod@nfi.kiae.ru Поступила в редакцию 25.05.2012 г.

Развит метод задания формы граничной равновесной магнитной поверхности в аксиально-симметричном торе, использующий модуль магнитного поля Б = Б,; (9) и модуль градиента полоидального потока |Уу| = |Уу|;(9) в специальной потоковой системе координат. Задание двух поверхностных констант (например, запаса устойчивости д и 1р/1у) и согласование зависимостей модулей магнитного поля и градиента потока из условия замкнутости поверхности позволяют определить на ней все равновесные магнитные функции (в том числе, п -V 1п Б и локального шира ;) и константы (в том числе, тороидального тока J и шира (1 ц/1у). Нетрадиционная формулировка граничных условий при решении задачи равновесия в аксиально-симметричном торе позволяет навязывать целевые требования к удержанию плазмы и МГД-устойчивости на периферии.

БО1: 10.7868/80367292113030086

1. ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что аксиальная симметрия обеспечивает существование вложенной системы равновесных магнитных поверхностей при обязательности тороидального разрядного тока. Форма магнитных поверхностей при этом может быть различной и выбираемой из соображений улучшенного удержания и МГД-устойчивости плазмы. Наиболее известный пример дает геометрия токамака [1].

Один из традиционных подходов к определению геометрии равновесных магнитных поверхностей состоит в задании тем или иным спосо-

бом1 формы граничной поверхности и решении уравнения Грэда—Шафранова для полоидального магнитного потока у при заданных распределениях давления плазмы р = р (у) и полоидального тока Г = Г (у). По найденному решению рассчитываются другие параметры равновесия и МГД-устойчивость. При неудовлетворительных результатах меняют форму граничной поверхности. Такая оптимизационная процедура проводится, как правило, численно, и ее организация и результат носят во многом субъективный характер. Фактически по такой же схеме действуют и в 3Э геометрии при поиске оптимальных геометрий стеллараторов.

1 г = Г; (0), г = г5 (0), либо г = г(г), либо у, = у (г,г).

Нетрадиционный подход к заданию геометрии граничной равновесной магнитной поверхности состоит в использовании магнитных функций — модуля магнитного поля Б = Б;(0) и модуля градиента полоидального потока |Уу| = |Уу|; (0) [2]. Поскольку МГД-устойчивость, удержание плазмы и другие характеристики ловушки выражаются в магнитных величинах, то такой подход к оптимизации формы поверхностей предполагает большую степень объективности. Этот подход позволяет изучать физические пределы оптимизации.

Нетрадиционный подход основан на:

(а) фундаментальной теореме теории 3Э-по-верхностей, которая утверждает, что шесть функций % = g уф,С), к у = куф,0) — компонент первой и второй квадратичных форм поверхности, удовлетворяющих условиям положительной определенности и совместности, однозначно определяют поверхность г = г (0, С) с точностью до ее положения в пространстве [3];

(б) общих потоковом и токовом представлениях магнитного поля В для системы вложенных равновесных поверхностей, позволяющих разложить базисные векторы потоковой системы координат2 е2 = дг/д0, е3 = дг/дС, по единичному магнитному

базису Ь = В, 1 = В Х [4]. В частности, для акси-

Б Б |Уу| альной симметрии имеем выражения

2 0 - 2,; - 3.

J +

дф ее,

2пВ

e, =■

м ('+§е) t

2пВ '

ц|уф t

(1)

F

2пВ 2пВ

Здесь ф, / — тороидальные магнитный поток и ток, ф, п — периодические функции с нулевым средним значением, зависящие от выбора угловых координат, ц = -й у/й ф — вращательное преобразование. В результате для первой квадратичной формы g¡j = е;е у имеем соотношения

g 22 =■

(j+if+('+%)' и

4п2В2

g 23 =

J

g33

4п2В2 = F2 + ц2 |Уф|2 4п2В2 '

(2)

Компоненты второй квадратичной формы рассчитываются по формуле к у = п • (е; • V е у), где п = Уу/|Уу| — единичная нормаль к поверхности,

к 22 =■

( j+д-)2 к. - 2 ( J+!)(■уфт.+(,2 w 2

к n

k23 =

J 3) F к „ + ÔQ) n

4п2В2

+D - f i1+1

|Уф|т я-и (1 + |) |Уф|2 к я

4я2В2

к33 =

F к„ + 2[iF |Уфтв + и2 |Уф2 К

4я2 В2

(3)

(4)

(5)

Здесь кп = п (Ь • V) Ь — нормальная кривизна силовой линии поля Ь, кп = п (1 • V) 1 — нормальная кривизна силовой линии поля <:, т п = 1 (Ь • V) п —

кривизна K = к22кзз—к21

2 К nK n

Кручение для полей Ь и 1 на магнитной поверхности одинаково с точностью до знака. Константы обсуждаются позже.

дк

'22

дк

dZ

3

нормальное кручение .

Из соотношений (2) видно, что при выборе специальных систем координат (например, координат Бузера с ф = п = 0) первая квадратичная форма определяется магнитными функциями4 В и |Уу|. Вторая квадратичная форма тоже выражается через В и |Уу|, т.к. нормальные кривизны и кручение в формулах (3)—(5), в свою очередь, определяются магнитными функциями. Это следует из следующих фактов. Во-первых, гауссова

дк

'23

dZ

■(Г2,2 )к23 + (Г2,2 )к33 де + (г2, 3) к22 + (г2,3)к23,

(г " )5к23 + (гЬ )5к33

+ (г2,3)к22 + (Г33 3) к23'

(6)

где (Гк j ) — поверхностные символы Кристоффе-

ля, которые тоже выражаются через первую квадратичную форму, дают еще два уравнения, связывающие нормальные кривизны и кручение [3]. В результате, получаем локальные поверхностные уравнения (ЛПУР) [2]

кnKn -тП =-b • VKg -Kg +1 • Vkg -Kg, (7)

t • Vk n = -2т nKg - ( к n - Kn ) Kg - b • Vin, (8)

b -Vk n = 2t nK g - ( к n -к n ) Kg -1 • Vx n, (9)

F

где к. = -1 • V ln-

■ тп выражается

g22g33 - g23

через первую квадратичную форму. Во-вторых, уравнения совместности Петерсона—Коддаци

2пВ

геодезическая кривизна

,|vv|

силовой линии поля Ь, к. = Ь -V1и!—- — геодези-

g 2пВ

ческая кривизна силовой линии поля 1 Важно,

что геодезические кривизны выражаются через В и |Уу|. Поэтому решение системы (7)—(9) для нормальных кривизн и кручения выражается через магнитные функции.

В настоящей работе мы применим нетрадиционный подход к давно решенной теоретически и практически задаче в аксиально-симметричном торе. Этот геометрически простой, но практически важный случай позволяет понять специфику и сложности такого подхода.

2. ФОРМА ГРАНИЧНОЙ РАВНОВЕСНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

При аксиальной симметрии известна общая геометрическая параметризация поверхности в произвольных потоковых координатах 0, Z

X = г (0) cos (Z + f (0)),

y = г (0)sin (( + f (0)), (10)

z = z (0),

где f — периодическая функция с нулевым средним значением зависит от конкретного выбора координат. Параметризация (10) определяет декартовы координаты базисных векторов

e2 = г'cos(Z + f) — rf'sin(Z + f); г' sin(Z + f) + rf' cos(Z + f );z', ез = —г sin (Z + f); г cos (Z + f); 0,

(11)

z cos (Z + f)

" í

z' sin (Z + f) ,

I -2 a

\г + z

-2 .2 г + z

l

2 , '2 г + z

Первая и вторая квадратичные формы поверхности имеют следующий вид:

• 2 .2 2 _г*2 2^, 2

%22 = г + г + г / , %23 = г / , %33 = г , г'г' - г"г + гг'/'2

^22 = '■

Í

^23 =

-2 .2 г + z

кзз =

I

S.Í—, (12)

-2 .2 г + z

гz

I

2 .2 г + z

Здесь штрих обозначает производную по 8.

Для упрощения выкладок удобно выбрать систему координат с обычным тороидальным углом ^ (/ = 0) и спрямляющим силовую линию магнитного поля полоидальным углом 0, (п = 0). Из (12) следует, что в этой системе координат %23, = к23, = 0. С учетом %23, = 0 из (2) получаем

J +5ф= ^ 50, Г

где д = ц-1 — коэффицинт запаса устойчивости. Усредняя по углу, находим значение константы

J — результат усреднения магнитной функции

,

J =

2nF

J|Vy|2 d0s.

(14)

Подставляя (13) в (2)—(5), приходим к формулам

|2 „2 . i,-,. _|2

= VC = F1 + |Vy|2

82.2.S 2 833s, 833s . 2 „2

F 4n B

(15)

k22s —

— n2 Ш2k 2vvl+k'

ftK« x« + k

v f f j

4n2B2

k23s —

k33s —

4n2 B2

F2

2

k

4n2B2

VM2 - f

F |v¥|

VM2 k + 2!vm

Л

Tn k n

(16)

j

Л

F

2 K«

F

Tn + Kn

(17)

С учетом к23; = 0 из (16) получаем

К _ _|У¥|2 - Г2 Кя К" Г |У¥| Хя' Заметим, что соотношение (17) получается и как решение5 уравнений (8) и (9). Но использованный выше подход более нагляден и прост. Это особенно видно после сравнения (15), (16) с (12): 2|„ \2f\i-, |2 Л |2

-2 + ,'2 _ q lV4 ílVv|

822s _ г + z _ A 2 jx2

4n B

F2

■ +1

_ г 2 g 2

_ 2 _ F2

833s _ г _ 2 „2

4п B

|V¥|

F

у 2

+1

F2

у

к _ г'г:'' -г"^ _

k22s _ I ~ _ 2 7" x

Vr 2 + z '2 4^B

" 2 к n 2 ■ lxn + K

F

(18)

k33s _

F гz'

-2 '2 г + z

F2

4n2B2

ы

F2

к„

■2 Vsk + к.

F

Из (18) сразу видно, что цилиндрический радиус г поверхности выражается через Б и |Уу|

F Vy

■ +1.

(19)

Г2

Заметим, что эту формулу можно получить из известного представления для аксиально-симметричного магнитного поля 2пВ = Уу х У^ + ГУ^ в результате возведения в квадрат. Используя (19)

' Для этого достаточно вычесть одно уравнение из другого, выразив геодезические кривизны через магнитные функции.

0

2

в первом соотношении (18), получаем уравнение для определения цилиндрической координаты г

г ,2 = ч2 |Уу|2 ГУМ

4п2В2 V ¥2

2

+1

J

2

.11 4п2

В

-1

УЧ

V

¥2

+1

J

(20)

= г

ч2 УМ

V

J

g 22Ц + g 33

¥'

4п ч В2 |Уу| г3

ч2 - + {-)2 (-

г \г/ \г

к22 ^ + к33 ^ Ц2

^ _ g22 —

„133 _

g22Ц2 + gз3

(21)

4п2ч В2 |Уу|2 г * _

Для получения выражений кп,кп, тп через В, |Уу| используем (19), (20) и соответствующие соотношения для производных

г_ г

¥2 (

Уравнение (20) показывает, замкнутая поверхность не получается при произвольном задании периодических функций В и |Уу|. Произвольно можно задать только одну функцию, а выбор другой ограничится рамками обеспечения положительности правой части (20) с обращением в нуль хотя бы в одной угловой точке с г' = 0. Условие замкнутости поверхности (г = 0 при 0 = 0, п) записываем в виде интеграла по углам. Это дает значение второй константы. Таким образом, из трех констант /, ч, ¥ свободной остается только одна (как правило, ¥ ), которую удобно использовать для обезразмеривания магнитных величин.

Важной особенностью использованной параметризации является тождественное выполнение уравнений Петерсона—Коддаци (6),

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком