Ухабистый тор представляет собой класс магнитных слитые энергетических устройств, состоящие из ряда магнитных зеркал , соединенных концов к концу , чтобы сформировать закрытый тор. Такое устройство само по себе нестабильно, и в большинстве неровных конструкций торов используются вторичные поля или релятивистские электроны для создания стабильного поля внутри реактора.
Основным недостатком классической конструкции магнитного зеркала является чрезмерное просачивание плазмы через два конца. Бугристый тор решает эту проблему, соединяя вместе несколько зеркал, чтобы топливо, вытекающее из одного зеркала, попадало в другое. Он описывается как «неровный», потому что ионы топлива, составляющие плазму, имеют тенденцию концентрироваться внутри зеркал с большей плотностью, чем токи утечки между зеркальными ячейками.
Неровный тор конструкций были областью активных исследований , начиная с 1960 - х годов и продолжались до 1986 года , с ЭЛМО ( EL ectro M agnetic O rbit) Bumpy Torus в Национальной лаборатории Oak Ridge . [1] Один, в частности, был описан: «Представьте себе серию магнитных зеркальных машин, установленных встык и скрученных в тор. Ион или электрон, выходящий из одной зеркальной полости, оказывается в другой зеркальной ячейке. Это составляет ухабистый тор ". [2] Эти выявленные проблемы, и большинство исследований концепции завершено.
Фон [ править ]
Простые зеркала [ править ]
Магнитное зеркало является одним из самых простых энергии магнитных слитых машин в терминах физической сложности. Он состоит в основном из цилиндра с мощными магнитами на каждом конце, хотя на практике цилиндр снабжен менее мощными магнитами для лучшего формирования поля. Получающееся в результате магнитное поле имеет форму, примерно напоминающую внешнюю сторону сигары, широкую в центре цилиндра и сужающуюся к концу с обоих концов.
Плазма состоит из газа заряженных частиц, электронов и ядер (ионов) используемого термоядерного топлива. В присутствии магнитного поля заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий. Они также переносят любой импульс, который у них был по силовой линии, поэтому на практике результирующее движение представляет собой спираль с центром на магнитной линии.
Зеркало работает за счет того, что это движение «задерживается» на обоих концах цилиндра. Когда ионы приближаются к концам, другие магнитные линии сходятся в том же месте, создавая нарастающее поле. При правильном наборе условий ион обратит свое движение, по существу отскакивая от увеличивающегося поля, отсюда и название «зеркало». В течение макроскопического времени отдельные ионы отскакивают назад и вперед между двумя зеркальными катушками, оставаясь ограниченными внутри устройства.
При любом заданном расположении поля всегда остаются некоторые силовые линии, которые не искривляются по мере приближения к концам, особенно линии, идущие по центру зеркала. Ионы, окружающие эти линии, могут улетучиваться. Кроме того, при любой данной магнитной силе всегда есть частицы, у которых будет достаточно энергии, чтобы они не отразились, и эти две частицы улетят. Расчеты показали, что скорость утечки будет достаточно низкой, чтобы обеспечить длительную работу реактора.
Минимум B [ править ]
В самом начале программы управляемого термоядерного синтеза было указано, что такое устройство имеет естественную нестабильность в расположении магнитного поля. В любой области, где есть выпуклость поля, существует естественная тенденция для ионов стремиться выйти за пределы своей первоначальной траектории при столкновении. В результате этого движения они выходят наружу через зону удержания. Когда достаточное количество ионов делает это в какой-либо конкретной области, их электрический заряд изменяет магнитное поле таким образом, чтобы еще больше увеличить кривизну, вызывая эффект убегания, который приводит к выбросу плазмы из области удержания. Эта проблема стала известна как нестабильность взаимозаменяемости и оказалась присущей всем зеркалам конца 1950-х годов.
Неустойчивость взаимообмена была вызвана выпуклыми областями магнитных полей, и британские исследователи быстро показали, что верно и обратное: в вогнутом поле, когда плазма находится «внутри» вогнутости, будет естественно стабильная . Это стало известно как «минимальная конфигурация B». На самом деле сделать такое устройство поля, которое не пропускало бы топливо по другим причинам, сложно, но к середине 1960-х годов появилось несколько многообещающих конструкций, в частности, конфигурация «теннисный мяч» или «бейсбол», а затем концепция инь-ян. Все они имели недостаток, заключающийся в том, что они были намного более сложными, а также большими для любого заданного объема плазмы, что отрицательно сказывалось на ценовых характеристиках конструкции.
Бугристый тор [ править ]
Бугристый тор - это попытка исправить проблемы зеркала как с взаимозаменяемой нестабильностью, так и с его естественной утечкой за концы.
Для предотвращения утечки несколько зеркал были соединены между собой встык. Само по себе это не уменьшало утечку, а означало, что частицы просачивались в другое зеркало. На первый взгляд это может показаться очевидным, но проблема с этим подходом состоит в том, что результирующее магнитное поле больше не является линейным вдоль оси, а изогнуто, что увеличивает скорость взаимозаменяемой нестабильности. Однако, когда рассматривается машина в целом, а не исследуется отдельная зеркальная ячейка, общее поле может быть организовано как чистая конфигурация с минимальным B. [3]
К сожалению, результирующее поле неровного тора подвержено другой проблеме - резистивному баллонному режиму . Команда ELMO из Окриджской национальной лаборатории предложила контролировать это, вводя высокоэнергетические («горячие») электроны в пространство между внешней стороной зеркального ограничивающего поля и внешней стороной самого реактора. Эти электроны создадут второе магнитное поле, которое оттеснит естественное поле зеркала от стенок реактора и изменит поле в целом, чтобы уменьшить баллонный режим. [3]
ELMO [ править ]
Первый пример конструкции неровного тора был построен как ELMO в Национальной лаборатории Ок-Ридж в 1972 году. [4] Сначала проект продемонстрировал многообещающие результаты, но по мере добавления новых диагностических систем стало ясно, что система не работает так, как было задумано. . В частности, концепция электронной оболочки была далеко не такой действенной, как предполагалось, и, что усугубляло проблемы, оказалось , что система микроволнового нагрева имеет гораздо более низкий КПД, чем ожидалось. [3]
Похожая система была построена в Нагое , где прямое измерение магнитного поля показало, что только несколько процентов поля, создаваемого электронами, достигали внутренней части области удержания, чего было недостаточно, чтобы компенсировать нестабильность. В 1988 году обзор всей области показал, что ограничение электронов просто не создает необходимых условий, и дальнейший интерес к этой концепции закончился. [3]
Ссылки [ править ]
Цитаты [ править ]
- ^ Uckan, Dandl, Хендрик, Bettis, Лидский, McAlees, Санторо, Watts, Yeh. "РЕАКТОР ELMO BUMPY TORUS (EBT)" . osti dot gov . Национальная лаборатория Окриджа . Проверено 1 июня 2017 года .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Булыжник, Джим. "Эксперимент ELMO Bumpy Torus, управляемая микроволновым излучением стационарная термоядерная машина в ORNL" (PDF) . iccworkshops dot org . Национальная лаборатория в Лос - Аламосе, 18 августа 2011 . Проверено 1 июня 2017 года .
- ^ а б в г Braams & Stott 2002 , стр. 121.
- ↑ Группа 1985 , стр. 1271.
Библиография [ править ]
- Group, EBT (сентябрь 1985 г.). "Программа ELMO Bumpy Torus". Ядерный синтез . 25 (9): 1271–1274. DOI : 10.1088 / 0029-5515 / 25/9/046 .
- Braams, CM; Стотт, ЧП (2002). Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием . CRC Press.
