For a plasma body of density n and characteristic macroscopic dimension Lcthere exists a critical ion density nc = 1/σcmLcwhere σcm ≃ 3 × 10−19 m2 for hydrogen. When n ⪅ nc the plasma is permeable to neutral gas, whereas it becomes impermeable to the same gas when n ≫ nc. Permeable and impermeable plasmas have different equilibrium and stability properties. So far, tokamak experiments have been performed in the range of permeable plasmas, whereas full-scale steadystate fusion reactors are likely to operate in the impermeable range.The effects of plasma-neutral-gas interaction, finite resistivity, and viscosity on the gravitational instability modes of a magnetized plasma have been investigated:There are both direct and indirect neutral-gas effects on the ballooning and flute modes. The direct effects are due to frictional forces from collisions, and the indirect ones to the influence of the plasma-neutral-gas balance on the unperturbed pressure and density distributions.In an impermeable plasma, the driving mechanism of the ballooning and flute instabilities can be localized to a narrow, dense and cool, partially ionized boundary region, in which plasma-neutral-gas collisions and viscosity strongly reduce the instability growth rates. Further reductions of these rates are expected to arise in more advanced and non-linear approaches.In tokamaks, resistive ballooning modes should be practically unaffected by neutral-gas collisions. However, when n approaches nc from below, a collisionless ballooning mode is expected to arise from an increase of the gradients in the boundary region. This behaviour is consistent with observations, including adiabatic-compression experiments.
密度nおよび特性巨視的寸法Lcを有するプラズマ体に対して、臨界イオン密度nc = 1/σcmLcが存在する。ここで、水素に対してσcm ≃ 3 × 10−19 m2である。n ⪅ ncの場合、プラズマは中性ガスに対して透過性であるが、n ≫ ncの場合、プラズマは同ガスに対して不透過性となる。透過性プラズマと不透過性プラズマは、異なる平衡特性および安定性特性を有する。これまでのところ、トカマク実験は透過性プラズマの範囲で実施されてきたが、本格的な定常核融合炉は不透過性の範囲で運転される可能性が高い。プラズマ-中性ガス相互作用、有限抵抗率、および粘性が、磁化プラズマの重力不安定性モードに及ぼす影響が調査された。バルーニングモードおよびフルートモードに対する中性ガスの直接的影響と間接的影響の両方が存在する。直接的影響は衝突による摩擦力に起因し、間接的影響は非摂動圧力分布および密度分布に対するプラズマ-中性ガス平衡の影響に起因する。不透過性プラズマでは、バルーニング不安定性およびフルート不安定性の駆動機構は、狭く、高密度で低温の、部分的に電離した境界領域に局在化し得る。この領域では、プラズマ-中性ガス衝突および粘性が不安定性成長率を強く低減する。これらの成長率のさらなる低減は、より高度な非線形アプローチにおいて生じることが期待される。トカマクにおいて、抵抗性バルーニングモードは中性ガス衝突の影響を実質的に受けないはずである。しかしながら、nが下からncに近づくとき、境界領域における勾配の増大に起因して、無衝突バルーニングモードが生じることが期待される。この挙動は、断熱圧縮実験を含む観測結果と一致する。