Бета из плазмы , символизируемого р , является отношением плазменного давления ( р = п K B T ) к магнитному давлению ( р МАГ = B ² / 2 μ 0 ). Этот термин обычно используется в исследованиях магнитного поля Солнца и Земли , а также в области конструкций термоядерной энергии .
В поле мощности термоядерного синтеза плазма часто удерживается с помощью сильных магнитов. Поскольку температура топлива зависит от давления, реакторы стремятся достичь максимально возможного давления. Стоимость больших магнитов примерно равна β ½ . Следовательно, бета-версия может рассматриваться как отношение денег к деньгам, вложенным в реактор, а бета-версия может рассматриваться (очень приблизительно) как экономический индикатор эффективности реактора. Для токамаков для экономически рентабельного производства электроэнергии желательны бета-значения более 0,05 или 5%. [ необходима цитата ]
Этот же термин используется также при обсуждении взаимодействия солнечного ветра с различными магнитными полями. Например, бета в короне Солнца составляет около 0,01.
Задний план
Основы Fusion
Ядерный синтез происходит, когда ядра двух атомов сближаются настолько близко, что ядерная сила сближает их в одно более крупное ядро. Сильному взаимодействию противостоит электростатическая сила, создаваемая положительным зарядом протонов ядер , разносящая ядра друг от друга. Количество энергии, необходимое для преодоления этого отталкивания, известно как кулоновский барьер . Количество энергии, выделяемой при реакции синтеза, когда она происходит, может быть больше или меньше кулоновского барьера. Как правило, более легкие ядра с меньшим числом протонов и большего числа нейтронов будет иметь наибольшее отношение энергии , высвобождаемой энергии , необходимой, и большинство слитых мощности исследовательских фокусирует на использование дейтерия и трития , двух изотопов из водорода .
Даже при использовании этих изотопов кулоновский барьер достаточно велик, поэтому ядрам нужно дать большое количество энергии, прежде чем они сливаются. Хотя есть несколько способов сделать это, самый простой - нагреть газовую смесь, что, согласно распределению Максвелла – Больцмана , приведет к образованию небольшого числа частиц с требуемой энергией, даже если газ в целом относительно «крутой» по сравнению с кулоновским барьером энергии. В случае смеси DT быстрое плавление произойдет, когда газ нагреется примерно до 100 миллионов градусов. [1]
Заключение
Эта температура выходит за физические пределы любого материального контейнера, который может содержать газы, что привело к ряду различных подходов к решению этой проблемы. Основной подход основан на природе топлива при высоких температурах. Когда газы термоядерного топлива нагреваются до температур, необходимых для быстрого термоядерного синтеза, они полностью ионизируются в плазму, смесь электронов и ядер, образующую глобально нейтральный газ. Поскольку частицы в газе заряжены, это позволяет управлять ими с помощью электрических или магнитных полей. Это дает начало большинству концепций управляемого термоядерного синтеза.
Даже если эта температура будет достигнута, газ будет постоянно терять энергию в окружающую среду (охлаждаться). Это дает начало концепции «времени удержания», количества времени, в течение которого плазма поддерживается при требуемой температуре. Однако термоядерные реакции могут возвращать свою энергию обратно в плазму, нагревая ее, что является функцией плотности плазмы. Эти соображения объединены в критерии Лоусона или его современной форме - тройном произведении слияния. Для того чтобы быть эффективным, скорость термоядерной энергии, выделяемой в реактор, в идеале должна быть больше, чем скорость потерь в окружающую среду, состояние, известное как «воспламенение».
Подход с использованием термоядерного синтеза с магнитным удержанием
В реакторах термоядерного синтеза с магнитным удержанием (MCF) плазма удерживается внутри вакуумной камеры с помощью серии магнитных полей. Эти поля обычно создаются с помощью комбинации электромагнитов и электрических токов, протекающих через саму плазму. Системы, использующие только магниты, обычно строятся с использованием подхода стеллараторов , в то время как системы, использующие только ток, представляют собой пинчевые машины. Наиболее изученным подходом с 1970-х годов является токамак , в котором поля, создаваемые внешними магнитами и внутренним током, примерно равны по величине.
Во всех этих машинах плотность частиц в плазме очень мала, что часто описывается как «плохой вакуум». Это ограничивает его подход к тройному произведению по оси температуры и времени. Для этого требуются магнитные поля порядка десятков тесла , токи в мегамперах и время удержания порядка десятков секунд. [2] Генерация токов такой величины относительно проста, и используется ряд устройств, от больших батарей конденсаторов до униполярных генераторов . Однако создание необходимых магнитных полей - это еще одна проблема, обычно требующая дорогих сверхпроводящих магнитов . Для любой данной конструкции реактора в стоимости обычно преобладает стоимость магнитов.
Бета
Учитывая, что магниты являются доминирующим фактором в конструкции реактора, и что плотность и температура объединяются для создания давления, отношение давления плазмы к плотности магнитной энергии, естественно, становится полезным показателем при сравнении конструкций MCF. Фактически, это соотношение показывает, насколько эффективно конструкция ограничивает плазму. Это соотношение, бета, широко используется в области термоядерного синтеза:
обычно измеряется в терминах полного магнитного поля. Однако в любой реальной конструкции напряженность поля варьируется в зависимости от объема плазмы, поэтому, чтобы быть конкретным, среднее значение бета иногда называют «бета-тороидальным». В конструкции токамака полное поле представляет собой комбинацию внешнего тороидального поля и полоидального поля, индуцированного током, поэтому иногда используется «бета-полоидальное» поле для сравнения относительной силы этих полей. И поскольку внешнее магнитное поле является драйвером стоимости реактора, «бета-внешнее» используется для учета именно этого вклада.
Предел бета-тестирования Troyon
В токамаке для стабильной плазмывсегда намного меньше 1 (иначе он рухнет). [4] В идеале устройство MCF должно иметь как можно более высокий бета-коэффициент, поскольку это будет означать минимальное количество магнитной силы, необходимой для удержания. На практике большинство токамаков работают с бета-коэффициентом порядка 0,01, или 1%. Сферические токамаки обычно работают со значениями бета на порядок выше. Рекорд установил прибор СТАРТ - 0,4, или 40%. [5]
Эти низко достижимые бета-значения обусловлены нестабильностью плазмы, возникающей из-за взаимодействия полей и движения частиц из-за индуцированного тока. По мере увеличения силы тока по отношению к внешнему полю эти нестабильности становятся неконтролируемыми. В ранних экспериментах с пинчем ток преобладал над компонентами поля, и нестабильности изгиба и колбасы были обычным явлением, сегодня все вместе они называются «нестабильности с низким n». По мере увеличения относительной напряженности внешнего магнитного поля эти простые нестабильности затухают, но в критическом поле неизменно появляются другие «нестабильности с высоким n», в частности, баллонный режим . Для любой конструкции термоядерного реактора существует предел бета-версии, которую он может выдержать. Поскольку бета-коэффициент является мерой экономической выгоды, термоядерный реактор на базе практического токамака должен поддерживать бета-коэффициент выше некоторого критического значения, которое, по расчетам, составляет около 5%. [6]
В течение 1980-х годов понимание нестабильности с высоким n значительно выросло. Шафранов и Юрченко впервые опубликовали этот вопрос в 1971 году в рамках общей дискуссии о конструкции токамака, но именно работа Вессона и Сайкса в 1983 году [7] и Фрэнсиса Тройона в 1984 году [8] полностью развили эти концепции. Соображения Тройона, или «предел Тройона», близко соответствовали реальным характеристикам существующих машин. С тех пор она стала настолько широко , что его часто называют просто в бета - предела в токамаке.
Предел Тройона определяется как:
- [9]
Где I - ток плазмы,- внешнее магнитное поле, а - малый радиус токамака (см. тор для объяснения направлений).был определен численно и обычно принимается равным 0,028, если I измеряется в мегамперах. Однако также часто используется 2.8, есливыражается в процентах. [9]
Учитывая, что предел Тройона предполагает примерно от 2,5 до 4%, а практический реактор должен иметь около 5%, предел Тройона вызывал серьезную озабоченность, когда он был введен. Однако было обнаружено, чторезко изменились с формой плазмы, и некруглые системы будут иметь гораздо лучшие характеристики. Эксперименты на машине DIII-D (вторая буква D относится к форме поперечного сечения плазмы) продемонстрировали более высокие характеристики [10], а конструкция сферического токамака превзошла предел Тройона примерно в 10 раз. [11]
Астрофизика
Бета также иногда используется при обсуждении взаимодействия плазмы в космосе с различными магнитными полями. Типичный пример - взаимодействие солнечного ветра с магнитными полями Солнца [12] или Земли . [13] В этом случае бета-характеристики этих природных явлений обычно намного меньше, чем наблюдаемые в конструкциях реакторов; бета короны Солнца составляет около 1%. [12] Активные области имеют гораздо более высокий бета-коэффициент, в некоторых случаях более 1, что делает область нестабильной. [14]
Смотрите также
- Список статей по плазме (физике)
- Плазма (физика)
Рекомендации
Заметки
- ^ Бромберг, стр. 18
- ↑ «Условия реакции термоядерного синтеза». Архивировано 14 января 2011 г. в Wayback Machine , JET.
- ↑ Wesson, J: "Tokamaks", 3-е издание, стр. 115, Oxford University Press, 2004
- ^ Кенро Миямото, "Физика плазмы и управляемый ядерный синтез" , Springer, 2005, стр. 62
- ↑ Алан Сайкс, «Развитие сферического токамака». Архивировано 22 июля 2011 г. в Wayback Machine , ICPP, Фукуока, сентябрь 2008 г.
- ^ «Научный прогресс в магнитном синтезе, ИТЭР и пути развития термоядерного синтеза» , Коллоквиум SLAC, 21 апреля 2003 г., стр. 17
- ^ Алан Сайкс и все, Труды 11-й Европейской конференции по управляемому синтезу и физике плазмы , 1983, стр. 363
- ^ Ф. Тройон и др., Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез , том 26, стр. 209
- ^ a b Фридберг, стр. 397
- ↑ Т. Тейлор, «Экспериментальные достижения тороидального бета за пределами того, что предсказано масштабированием Тройона» , General Atomics, сентябрь 1994 г.
- ^ Сайкс, стр. 29
- ^ a b Алан Худ, "Плазма бета" , Magnetohydrostatic Equilibria, 11 января 2000 г.
- ^ G. Haerendel et al., "Плазменные капли с высоким бета в утреннем плазменном слое", Annales Geophysicae , Volume 17 Number 12, pg. 1592–1601
- ^ Г. Аллан Гэри, "Бета-плазменный бета над солнечной активной областью: переосмысление парадигмы" , Солнечная физика , том 203 (2001), стр. 71–86
Библиография
- Джоан Лиза Бромберг, "Синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии" , MIT Press, 1982
- Джеффри Фрейдберг, "Физика плазмы и термоядерная энергия" , Cambridge University Press, 2007 г.