Konfiguracja odwrócona w polu Princeton

Jeden impuls wirującego pola magnetycznego urządzenia PFRC-2 podczas eksperymentu

Konfiguracja odwrócona pola Princeton ( PFRC ) to seria eksperymentów z fizyki plazmy , program eksperymentalny mający na celu ocenę konfiguracji reaktora termojądrowego w Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Eksperyment bada dynamikę konfiguracji z odwróconym polem o długim impulsie, bezkolizyjnym i niskim parametrze s (FRC) utworzone przez wirujące pola magnetyczne o nieparzystej parzystości. Ma na celu eksperymentalną weryfikację przewidywań fizycznych, że takie konfiguracje są globalnie stabilne i mają poziomy transportu porównywalne z klasyczną dyfuzją magnetyczną. Ma także na celu zastosowanie tej technologii w napędu bezpośredniego syntezy jądrowej (Direct Fusion Drive) do napędu statków kosmicznych.

Historia

PFRC była początkowo finansowana przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych . Na początku swojego działania współgrał z takimi RMF-FRC, jak eksperyment Translation Confinement Sustainment (TCS) i Prairie View Rotamak (PV Rotamak).

W PPPL eksperyment PFRC-1 trwał od 2008 do 2011 roku. PFRC-2 trwa od 2019 roku. Następny jest zaplanowany PFRC-3. PFRC-4 zaplanowano na połowę 2020 roku.

Wirujące pole magnetyczne o nieparzystej parzystości

Prąd elektryczny tworzący konfigurację odwróconego pola (FRC) w PFRC jest napędzany przez wirujące pole magnetyczne (RMF). Metoda ta została dobrze zbadana i dała korzystne wyniki w serii eksperymentów Rotamak. Jednakże wirujące pola magnetyczne zastosowane w tych i innych eksperymentach (tzw. RMF o parzystości ) powodują otwarcie linii pola magnetycznego. Kiedy do osiowosymetrycznego pola magnetycznego FRC równowagi przyłożone zostanie poprzeczne pole magnetyczne, zamiast zamykać się wokół siebie i tworzyć zamknięty obszar, linie pola magnetycznego krążą spiralnie w kierunku azymutalnym i ostatecznie przecinają powierzchnię separatrix, która zawiera zamknięty obszar FRC.

Jeden impuls wirującego pola magnetycznego urządzenia PFRC-2 podczas eksperymentu, w zwolnionym tempie

PFRC wykorzystuje anteny RMF, które wytwarzają pole magnetyczne zmieniające kierunek wokół płaszczyzny symetrii zorientowanej ze swoją normalną wzdłuż osi, w połowie długości osi maszyny. Taka konfiguracja nazywana jest o nieparzystej parzystości . Takie pola magnetyczne, dodane w małych ilościach do osiowosymetrycznych pól magnetycznych równowagi, nie powodują otwierania linii pola magnetycznego i ogólna topologia zostaje zachowana. Krytyczna wartość progowa wirującego pola magnetycznego o „nieparzystej parzystości”, która otwiera osiowosymetryczne linie pola magnetycznego równowagi i zasadniczo zmienia topologię pola, jest dość wysoka. W związku z tym nie oczekuje się, że RMF będzie przyczyniał się do transportu cząstek i energii z rdzenia PFRC.

Niski parametr s

W FRC nazwa parametru s jest nadawana stosunkowi odległości między zerem magnetycznym a separatrixą i promieniem Larmora jonu termicznego. Tyle orbit jonowych może zmieścić się pomiędzy rdzeniem FRC a miejscem, w którym spotyka się on z masową plazmą. FRC o wysokim współczynniku FRC miałby bardzo małe promienie żyroskopowe jonów w porównaniu z rozmiarem maszyny. obowiązuje model magnetohydrodynamiki (MHD). MHD przewiduje, że FRC jest niestabilny w „trybie pochylenia n=1”, w którym odwrócone pole przechyla się o 180 stopni, aby wyrównać się z przyłożonym polem magnetycznym, niszcząc FRC.

Przewiduje się, że FRC o niskim współczynniku FRC będzie stabilne w trybie pochylenia. Dla tego efektu wystarczający jest parametr s mniejszy lub równy 2. Jednak tylko dwa promienie jonów pomiędzy gorącym rdzeniem a chłodną masą oznaczają, że średnio tylko dwa okresy rozpraszania (zmiany prędkości średnio o 90 stopni) wystarczą, aby usunąć gorący jon mający znaczenie dla syntezy jądrowej z rdzenia plazmy. Zatem wybór następuje pomiędzy jonami o wysokich parametrach s, które są klasycznie dobrze ograniczone, ale słabo ograniczone konwekcyjnie , a jonami o niskim parametrze s, które są klasycznie słabo ograniczone, ale dobrze ograniczone konwekcyjnie .

PFRC ma parametr s pomiędzy 1 a 2. Przewiduje się, że stabilizacja trybu przechylania bardziej pomoże w zamknięciu, niż mała liczba tolerowanych kolizji zaszkodzi odosobnieniu.

Napęd statku kosmicznego

Naukowcy z Princeton Satellite Systems pracują nad nową koncepcją o nazwie Direct Fusion Drive (DFD), opartą na PFRC. Wytwarzał energię elektryczną i napęd z jednego kompaktowego reaktora termojądrowego. Pierwsze studium koncepcyjne i modelowanie (faza I) opublikowano w 2017 r. i zaproponowano je do zasilania układu napędowego orbitera Plutona . Dodanie paliwa do chłodnego strumienia plazmy skutkuje zmiennym ciągiem, gdy jest on kierowany przez dyszę magnetyczną. Modelowanie sugeruje, że DFD może wytworzyć 5 niutonów ciągu na każdy megawat wytworzonej mocy termojądrowej. Około 35% energii termojądrowej trafia na ciąg, 30% na energię elektryczną, 25% na ciepło, a 10% jest zawracane do częstotliwości radiowej (RF). Koncepcja przeszła do fazy II, aby dalej udoskonalać konstrukcję i ekranowanie.

Linki zewnętrzne

Oficjalna strona internetowa Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton
Profesor Samuel A. Cohen