Konfiguracja odwróconego pola

Konfiguracja z odwróconym polem: toroidalny prąd elektryczny jest indukowany wewnątrz cylindrycznej plazmy, tworząc poloidalne pole magnetyczne, odwrócone względem kierunku zewnętrznego pola magnetycznego. Powstały kompaktowy toroid osiowo-symetryczny o wysokim współczynniku beta jest samowystarczalny.

Konfiguracja odwróconego pola ( FRC ) to rodzaj urządzenia plazmowego badanego jako sposób wytwarzania syntezy jądrowej . Ogranicza plazmę do zamkniętych linii pola magnetycznego bez centralnej penetracji. W FRC plazma ma postać samostabilnego torusa, podobnego do pierścienia dymu .

FRC są blisko spokrewnione z innym samostabilnym urządzeniem do fuzji magnetycznej , sferomakiem . Oba są uważane za część kompaktowej klasy toroidów urządzeń termojądrowych. FRC zwykle mają plazmę, która jest bardziej wydłużona niż sferomaki, mając ogólny kształt wydrążonej kiełbasy, a nie z grubsza kulistego sferomaka.

FRC były głównym obszarem badań w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku, ale miały problemy ze skalowaniem do praktycznych potrójnych produktów syntezy jądrowej . Zainteresowanie powróciło w latach 90. XX wieku, a od 2019 roku FRC były aktywnym obszarem badawczym.

Historia

FRC po raz pierwszy zaobserwowano w laboratoriach pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku podczas eksperymentów z pinch theta z odwróconym polem magnetycznym tła.

Pierwsze badania przeprowadzono w Laboratorium Badawczym Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (NRL) w latach sześćdziesiątych XX wieku. Zebrano znaczne dane i opublikowano ponad 600 artykułów. Prawie wszystkie badania przeprowadzono w ramach Projektu Sherwood w Los Alamos National Laboratory (LANL) w latach 1975-1990 oraz w ciągu 18 lat w Redmond Plasma Physics Laboratory na Uniwersytecie Waszyngtońskim , w ramach eksperymentu Large S (LSX).

Późniejsze badania odbywały się w Air Force Research Laboratory (AFRL), Fusion Technology Institute (FTI) Uniwersytetu Wisconsin-Madison , Princeton Plasma Physics Laboratory oraz University of California, Irvine .

Prywatne firmy badają teraz FRC do wytwarzania energii elektrycznej, w tym General Fusion , TAE Technologies i Helion Energy .

Electrodeless Lorentz Force Thruster (ELF) opracowany przez MSNW był próbą zaprojektowania kosmicznego urządzenia napędowego. ELF był kandydatem w NASA , wraz z X-3 Nested-Channel Hall Thruster i VASIMR przed rozwiązaniem MSNW.

Aplikacje

Głównym zastosowaniem jest wytwarzanie energii termojądrowej.

FRC jest również rozważany do eksploracji głębokiego kosmosu , nie tylko jako potencjalne źródło energii jądrowej, ale także jako środek przyspieszający paliwo do wysokich poziomów impulsu właściwego (Isp ) dla napędzanych elektrycznie statków kosmicznych i rakiet fuzyjnych , z zainteresowaniem wyrażonym przez NASA .

Porównania

Różnica między FRC a Spheromakiem
Główny artykuł: Fuzja magnetyczna

Wytwarzanie energii termojądrowej poprzez ograniczanie plazmy polami magnetycznymi jest najskuteczniejsze, jeśli linie pola nie penetrują twardych powierzchni, ale zamykają się w okręgach lub powierzchniach toroidalnych. Główne koncepcje uwięzienia tokamaka i stellaratora robią to w komorze toroidalnej, co pozwala na dużą kontrolę nad konfiguracją magnetyczną, ale wymaga bardzo złożonej konstrukcji. Konfiguracja odwróconego pola oferuje alternatywę, ponieważ linie pola są zamknięte, zapewniając dobre zamknięcie, ale komora jest cylindryczna, co pozwala na prostszą, łatwiejszą konstrukcję i konserwację.

Konfiguracje z odwróconym polem i sferomaki są razem znane jako kompaktowe toroidy . Spheromaki i FRC różnią się tym, że sferomaki mają dodatkowe pole toroidalne. Toroidalne pole może przebiegać w tym samym lub przeciwnym kierunku co wirująca plazma. W sferomaku siła toroidalnego pola magnetycznego jest zbliżona do siły pola poloidalnego . Dla kontrastu, FRC ma niewielką składową pola toroidalnego lub nie ma jej wcale i jest ograniczona wyłącznie polem poloidalnym. Brak pola toroidalnego oznacza, że ​​FRC nie ma helikalności magnetycznej i ma wysoką wartość beta . Wysoka beta sprawia, że ​​FRC jest atrakcyjny jako reaktor termojądrowy i dobrze nadaje się do paliw aneutronicznych ze względu na niskie wymagane pole magnetyczne. Sferomaki mają β ≈ 0,1, podczas gdy typowy FRC ma β ≈ 1.

Tworzenie

Wymiary FRC, w tym parametr S.

W nowoczesnych eksperymentach FRC prąd plazmy, który odwraca pole magnetyczne, można indukować na różne sposoby.

Kiedy konfiguracja odwróconego pola jest tworzona przy użyciu metody theta-pinch (lub indukcyjnego pola elektrycznego), cylindryczna cewka najpierw wytwarza osiowe pole magnetyczne. Następnie gaz jest wstępnie jonizowany, który „zamarza” w polu polaryzacji z magnetohydrodynamicznego punktu widzenia, ostatecznie pole osiowe jest odwrócone, stąd „konfiguracja odwróconego pola”. Na końcach następuje ponowne połączenie pola polaryzacji i pola głównego, tworząc zamknięte linie pola. Główne pole jest dalej podnoszone, ściskając i ogrzewając plazmę oraz wytwarzając pole próżni między plazmą a ścianą.

Wiadomo, że neutralne wiązki napędzają prąd w tokamakach poprzez bezpośrednie wstrzykiwanie naładowanych cząstek. FRC można również formować, podtrzymywać i ogrzewać przez zastosowanie neutralnych wiązek. W takich eksperymentach, jak powyżej, cylindryczna cewka wytwarza jednorodne osiowe pole magnetyczne, a gaz jest wprowadzany i jonizowany, tworząc plazmę tła. Cząsteczki neutralne są następnie wstrzykiwane do plazmy. Jonizują, a cięższe, dodatnio naładowane cząstki tworzą pierścień prądowy, który odwraca pole magnetyczne.

Spheromaki to konfiguracje podobne do FRC ze skończonym toroidalnym polem magnetycznym. FRC powstały w wyniku połączenia sferomaków o przeciwnych i znoszących się polach toroidalnych.

Wirujące pola magnetyczne były również wykorzystywane do napędzania prądu. W takich doświadczeniach, jak powyżej, następuje jonizacja gazu i wytwarzanie osiowego pola magnetycznego. Wirujące pole magnetyczne jest wytwarzane przez zewnętrzne cewki magnetyczne prostopadłe do osi maszyny, a kierunek tego pola jest obracany wokół osi. Kiedy częstotliwość rotacji jest pomiędzy częstotliwościami żyroskopowymi jonów i elektronów, elektrony w plazmie obracają się razem z polem magnetycznym (są „przeciągane”), wytwarzając prąd i odwracając pole magnetyczne. Niedawno do zachowania zamkniętej topologii FRC zastosowano tak zwane wirujące pola magnetyczne o nieparzystej parzystości.

Orbity pojedynczych cząstek

Trajektoria cząstki FRC, w której cząstka zaczyna się od ruchu cyklotronowego wewnątrz zera, przechodzi do ruchu betatronu i kończy się ruchem cyklotronowym poza zerem. Ten ruch odbywa się w płaszczyźnie środkowej maszyny. Cewki znajdują się powyżej i poniżej rysunku.

FRC zawierają ważną i rzadką cechę: „zerową magnetyczną” lub okrągłą linię, na której pole magnetyczne wynosi zero. Jest to konieczne, ponieważ wewnątrz zera pole magnetyczne wskazuje jeden kierunek, a na zewnątrz zera pole magnetyczne wskazuje kierunek przeciwny. Cząstki daleko od zera śledzą zamknięte orbity cyklotronowe, podobnie jak w innych geometriach fuzji magnetycznej. Jednak cząstki, które przecinają zero, śledzą nie cyklotron lub orbity kołowe, ale betatron lub orbity przypominające ósemkę, ponieważ krzywizna orbity zmienia kierunek, gdy przecina zero magnetyczne.

Ponieważ orbity cząstek nie są cyklotronami, modele zachowania plazmy oparte na ruchu cyklotronu, takie jak magnetohydrodynamika (MHD), nie mają zastosowania w obszarze wokół zera. Rozmiar tego obszaru jest związany z parametrem s lub stosunkiem odległości między punktem zerowym i rozdzielającym oraz termicznym promieniem bezwładności jonu. Przy wysokich s większość cząstek nie przekracza wartości zerowej, a efekt ten jest pomijalny. Przy niskim s, ~2, efekt ten dominuje i mówi się, że FRC jest raczej „kinetyczne” niż „MHD”.

Stabilność osocza

Przy niskim parametrze s większość jonów wewnątrz FRC porusza się po dużych orbitach betatronowych (ich średni promień bezwładności jest około połowy wielkości plazmy), które są typowe raczej dla fizyki akceleratorów niż dla fizyki plazmy . Te FRC są bardzo stabilne, ponieważ plazma nie jest zdominowana przez zwykłe cząstki o małym promieniu bezwładności, jak inne w równowadze termodynamicznej lub plazmy nietermiczne . Jego zachowanie nie jest opisane przez klasyczną magnetohydrodynamikę , stąd nie ma fal Alfvéna i prawie żadnych niestabilności MHD pomimo ich teoretycznych przewidywań [ potrzebne źródło ] i pozwala uniknąć typowego „transportu anomalnego”, tj. procesów, w których występuje nadmierna utrata cząstek lub energii .

Od 2000 r. Badanych jest kilka pozostałych niestabilności:

  • pochylenia i przesunięcia . Te niestabilności można złagodzić albo przez włączenie pasywnego przewodnika stabilizującego, albo przez tworzenie bardzo spłaszczonej plazmy (tj. bardzo wydłużonej plazmy) albo przez tworzenie samogenerującego się pola toroidalnego. Tryb pochylenia został również ustabilizowany w eksperymentach FRC poprzez zwiększenie promienia żyroskopu jonów.
  • Niestabilność magnetorotacyjna . Ten tryb powoduje obracające się eliptyczne zniekształcenie granicy plazmy i może zniszczyć FRC, gdy zniekształcona plazma wejdzie w kontakt z komorą przetrzymującą. Udane metody stabilizacji obejmują zastosowanie kwadrupolowego pola stabilizującego oraz wpływu wirującego pola magnetycznego (RMF).

Eksperymenty

Wybrane odwrotne eksperymenty polowe, przed 1988 r
Rok Urządzenie Lokalizacja
Długość urządzenia (metr)
Średnica urządzenia (metr)
pole B (tesla)
Ciśnienie napełniania (paskale)
Uwięzienie (sekundy) 		Badane
1959 - NRL 0,10 0,06 10.00 13.33 2.E-06 Unicestwienie
1961 Scylla I LANL 0,11 0,05 5.50 11.33 3.E-06 Unicestwienie
1962 Scylla III LANL 0,19 0,08 12.50 11.33 4.E-06 Obrót
1962 Thetatron Culham 0,21 0,05 8.60 13.33 3.E-06 Skurcz
1962 Julich [ wymagane wyjaśnienie ] 0,10 0,04 6.00 30.66 1.E-06 Formacja, łzawienie
1963 Culham 0,30 0,10 5.00 6.67 6.E-06 Skurcz
1964 0-PII Garching [ wymagane wyjaśnienie ] 0,30 0,05 5.30 13.33 1.E-06 Łzawienie, skurcz
1965 Faros NRL 1,80 0,17 3.00 8.00 3.E-05 Uwięzienie, rotacja
1967 Centaur Culham 0,50 0,19 2.10 2,67 2.E-05 Uwięzienie, rotacja
1967 Julia Julich 1.28 0,11 2,70 6.67 2.E-05 Rozdzierający
1971 NP Garching 0,70 0,11 2,80 6.67 3.E-05 Łzawienie, obrót
1975 BN Kurczatow 0,90 0,21 0,45 0,27 - 1,07 5.E-05 Tworzenie
1979 SŁUP Kurczatow 1,50 0,30 1.00 0,27 - 0,67 1.E-04 Tworzenie
1979 FRX-A LASL 1.00 0,25 0,60 0,53 - 0,93 3.E-05 Uwięzienie
1981 FRX-B LANL 1.00 0,25 1.30 1,20 - 6,53 6.E-05 Uwięzienie
1982 STP-L Nagoja 1,50 0,12 1.00 1.20 3.E-05 Obrót
1982 NUCTE Nihon 2.00 0,16 1.00 6.E-05 Uwięzienie, rotacja
1982 PIACE Osaka 1.00 0,15 1.40 6.E-05 Obrót
1983 FRX-C LANL 2.00 0,50 0,80 0,67 - 2,67 3.E-04 Uwięzienie
1984 TRX-1 MSNW 1.00 0,25 1.00 0,67 -2,00 2.E-04 Formacja, uwięzienie
1984 CTTX Penn SU 0,50 0,12 0,40 13.33 4.E-05 Uwięzienie
1985 HBQM Umyć 3.00 0,22 0,50 0,53 - 0,93 3.E-05 Tworzenie
1986 PAŹDZIERNIK Osaka 0,60 0,22 1.00 1.E-04 Uwięzienie
1986 TRX-2 choroby przenoszone drogą płciową 1.00 0,24 1.30 0,40 - 2,67 1.E-04 Formacja, uwięzienie
1987 CSS Umyć 1.00 0,45 0,30 1.33 - 8.00 6.E-05 Powolna formacja
1988 FRXC/LSM LANL 2.00 0,70 0,60 0,27 - 1,33 5.E-04 Formacja, uwięzienie
1990 LSX STI/MSNW 5.00 0,90 0,80 0,27 - 0,67 Stabilność, uwięzienie
Wybrane konfiguracje odwróconego pola, 1988 - 2011
Urządzenie Instytucja Rodzaj urządzenia Gęstość elektronów Maksymalny jon lub elektron Średnica FRC Długość/średnica
10 20 / metr 3 Temperatura [eV] [Metr]
Sferomak-3 Uniwersytet Tokio Łączenie sferomaków 5,0 – 10,0 20 – 100 0,40 1.0
Sferomak-4 Uniwersytet Tokio Łączenie sferomaków 10 – 40 1,20 - 1,40 0,5 – 0,7
Kompaktowy Torus Exp-III Uniwersytet Nihon Theta-szczypta 5,0 – 400,0 200 – 300 0,10 - 0,40 5,0 – 10,0
Wyściółka Exp odwrócona w terenie Los Alamos Theta-szczypta 1500,0 – 2500,0 200 – 700 0,03 - 0,05 7,0 – 10,0
Eksploatacja wtrysku FRC Uniwersytet w Osace Uwięzienie tłumaczeń 3,0 – 5,0 200 – 300 0,30 - 0,40 7,0 – 15,0
Swarthmore Spheromak Exp Swarthmore Łączenie sferomaków 100 20 – 40 0,40 1.5
Magnetyczne ponowne połączenie Exp Princeton ( PPPL ) Łączenie sferomaków 5,0 – 20,0 30 1.00 0,3 – 0,7
Eksperyment z odwróconą konfiguracją pola Princeton (PFRC) Princeton ( PPPL ) Wirujące pole B 0,05 – 0,3 200 – 300 0,06
Utrzymanie ograniczenia tłumaczenia uniwersytet Waszyngtoński Wirujące pole B 0,1 – 2,5 25 – 50 0,70 - 0,74
Utrzymanie ograniczenia tłumaczeń — uaktualnienie uniwersytet Waszyngtoński Wirujące pole B 0,4 – 1,5 50 – 200 0,70 - 0,74 1,5 – 3,0
Kompresja wykładziny plazmowej MSNW Uwięzienie tłumaczeń 0,20
Indukcyjny akcelerator plazmy MSNW Łącząca się kolizja 23.0 – 26.0 350 0,20
Indukcyjny akcelerator plazmy-C MSNW Scalanie kompresji 300,0 1200 - 2000 0,2 10.0
Kolorado FRC Uniwersytet Kolorado Łączenie sferomaków
Odwrotna konfiguracja pola Irvine'a UC Irvine Źródło koncentryczne 150,0 10 0,60
C-2 Tri Alpha Energy, Inc. Łącząca się kolizja 5,0 – 10,0 200 – 500 0,60 - 0,80 3,0 – 5,0
STX uniwersytet Waszyngtoński Wirujące pole B 0,5 40 0,4 6
Rotamak z widokiem na prerie Widok na prerii A&M Wirujące pole B 0,1 10-30 0,4 2

Napęd statku kosmicznego

Do napędu statków kosmicznych rozważano urządzenia o konfiguracji odwróconej w polu. Odchylając ścianki urządzenia na zewnątrz, plazmoid można przyspieszyć w kierunku osiowym i poza urządzenie, generując ciąg.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Field-reversed_configuration&oldid=1127976972 ”