Часть 2. Идеальное экранирование магнитного поля с помощью плазменного диамагнетизма экспериментально наблюдалось в различных магнитных паразитных системах, предназначенных для исследования энергии синтеза. Таким образом, магнитная паразитная система хорошо подходит для исследования диамагнитных эффектов плазмы. Кроме того, конфигурация магнитного поля штакетника топологически идентична магнитосфере дневной стороны Земли с выпуклой кривизной магнитного поля Земли, обращенной к солнечному ветру, а также магнитным полям солнечных пятен.
Из-за их благоприятной кривизны магнитного поля было показано, что магнитные паразитные системы устойчивы против большинства, если не всех, макроскопических плазменных неустойчивостей в теории. Это связано с тем, что плазма должна выполнять работу, сжимающую магнитное поле, если оно расширяется на границе, так как магнитное поле искривляется в плазму на каждой поверхности. Отсутствие плазменных неустойчивостей в магнитных паразитных системах также сообщалось во многих прошлых экспериментах. Это позволяет моделировать основное равновесие, чтобы достичь стационарного или, по крайней мере, квазистационарного состояния за пару раз переноса плазмы, как это определяется более медленными видами, т. е. ионами.
Магнитный штакетник ограждения может быть смоделирован с периодическим граничным условием в осевом направлении. В большинстве предлагаемых конфигураций термоядерных реакторов, основанных на магнитной системе cusp, используется много пар магнитных катушек для обеспечения достаточного объема реактора и необходимого удержания. В случае магнитного штакетника, использующего много пар катушек вдоль осевого направления, периодическое граничное условие является хорошим приближением в центральной области штакетника. В настоящем исследовании при моделировании используется набор из 27 катушек для обеспечения внешнего магнитного поля, которое является почти периодическим вдоль симметричной оси, причем 3 катушки в середине находятся внутри области моделирования. Кроме того, дозаправка плазмы может быть достигнута путем впрыска с обоих концов для достижения устойчивого режима работы, соответствующего объемному впрыску плазмы вблизи оси, используемой как в моделировании.
Для описанного исследования мы используем полностью кинетическое описание равновесия между плазмой и магнитным полем, где электроны и ионы следуют за частицами, взаимодействующими через электрические и магнитные поля, создаваемые самими частицами, а также катушками. Приближенный следуют электромагнитная частица в клетке. Полный набор уравнений Максвелла дискредитируется на сетке, где моменты частиц собираются с помощью сплайн-интерполяции первого порядка для вычисления источников уравнений Максвелла. В настоящей работе мы использовали энергосберегающий полу неявный метод (ECsim) в его цилиндрической реализации под названием ECsim-CYL основанный на азимутальной симметрии магнитной системы загородки штакетника. ECsim-CYL решает уравнения поля в двумерных (2D) цилиндрических координатах с использованием метода конечных объемов. Для частиц он решает все три составляющие векторов скорости, сохраняя при этом только радиальные и осевые координаты положения частиц. Численный алгоритм ECsim-CYL был протестирован ранее для точности и сходимости.
Мы использовали код ECsim-CYL для исследования диамагнитных эффектов плазмы по следующим причинам. ECsim-CYL сохраняет энергию системы точно вниз к точности машины даже когда разрешение решетки и времени строго разрешает частоту плазмы электрона или длину Дебая электрона. Такая экономия энергии позволяет моделированию работать без какого-либо искусственного сглаживания. В то время как сглаживание поля или момента частицы помогает с шумом и численной стабильностью, использование сглаживания приводит к нарушению сохранения энергии и может нарушить диамагнитный пограничный слой, что приводит к искусственно большей толщине слоя, вызванной численными эффектами, а не физическими эффектами. Хотя, в принципе, можно избежать под выборкой электронной плазменной частоты или длины Дебая, численная стоимость может быть очень высокой, около коэффициента 100 или более для пространств параметров плазмы. Это связано с тем, что длина Дебая примерно в 10 раз меньше, чем у электронного гиро радия. Эти дополнительные вычислительные затраты должны быть умножены на каждое измерение, что приводит к увеличению 2D цилиндрической геометрии в 100 раз. С другой стороны, неявные коды PIC, такие как ECsim, успешно продемонстрировали способность разрешать критическую генерацию электрического поля в отношении разделения заряда между электронами и ионами, даже когда они находятся под выборкой длины Дебая. Учитывая, что каждый прогон уже требуется 10 000-150 000 процессорных часов для получения равновесного решения, использование алгоритма энергосбережения ECsim было критически важным для решения физики масштаба электронного гиро радиуса в пограничном слое со встроенным энергосбережением. Отмечено что энергия системы сохранена чтобы подвергнуть точность механической обработке на всех сообщенных разрешениях.
Продолжение следует...
