Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать со сферическим токамаком .

Spheromak является расположение плазмы формируется в тороидальной формы , похожей на кольцо дыма . [1] Сферомак содержит большие внутренние электрические токи и связанные с ними магнитные поля, расположенные так, что магнитогидродинамические силы внутри сферомака почти уравновешены, что приводит к долгоживущему ( микросекундному ) времени удержания без внешних полей. Сферомаки относятся к типу плазменных конфигураций, называемых компактными тороидами .

Физика сферомака и столкновений между сферомаками похожа на множество астрофизических явлений, таких как корональные петли и волокна , релятивистские струи и плазмоиды . Они особенно полезны для изучения событий магнитного пересоединения, когда два или более сферомака сталкиваются. Сферомаки легко создать, используя «пушку», которая выбрасывает сферомаки с конца электрода в зону удержания, называемую хранителем потока . Это сделало их полезными в лабораторных условиях, а пушки-сферомаки относительно распространены в астрофизических лабораториях. Эти устройства часто, что сбивает с толку, также называют просто «сферомаками»; этот термин имеет два значения.

Сферомаки были предложены в качестве концепции энергии магнитного синтеза из-за их большого времени удержания , которое было примерно того же порядка, что и у лучших токамаков, когда они впервые были изучены. Хотя они добились определенных успехов в 1970-х и 1980-х годах, эти небольшие устройства с низким энергопотреблением имели ограниченную производительность, и большинство исследований сферомаков закончилось, когда финансирование термоядерного синтеза было резко сокращено в конце 1980-х годов. Однако в конце 1990-х исследования показали, что более горячие сферомаки имеют лучшее время удержания, и это привело ко второй волне машин сферомаков. Сферомаки также использовались для инжекции плазмы в более крупный эксперимент с магнитным удержанием, такой как токамак . [2]

Разница с FRC [ править ]

Разница между конфигурацией с перевернутым полем и сферомаком

Разница между конфигурацией с обращенным полем (FRC) и сферомаком заключается в том, что сферомак имеет внутреннее тороидальное поле, а плазма FRC - нет. Это поле может двигаться по часовой стрелке или против часовой стрелки в направлении вращения плазмы. [3]

История [ править ]

Сферомак подвергся нескольким отчетливым периодам исследований, наибольшие усилия были приложены в 1980-х годах, а возрождение - в 2000-х.

Справочная работа по астрофизике [ править ]

Ключевым понятием в понимании сферомака является магнитная спиральность , величина, которая описывает «закрученность» магнитного поля в плазме.

Самая ранняя работа над этими понятиями была разработана Альфвен в 1943 году [4] , которая принесла ему 1970 Нобелевскую премию по физике . Его развитие концепции альфвеновских волн объяснило долговременную динамику плазмы, поскольку электрические токи, движущиеся внутри них, создавали магнитные поля, которые, подобно динамо-машине , порождали новые токи. В 1950 году Лундквист экспериментально изучил альфвеновские волны в ртути и ввел характеристическое число Лундквиста , которое описывает проводимость плазмы. В 1958 году Лодевийк Вольтер, работающий над астрофизической плазмой, отметил, что это сохраняется, что означает, что извилистое поле будет пытаться сохранять свою извилистость даже при приложении к нему внешних сил. [5]

Начиная с 1959 года Альфвен и его команда, в которую входили Линдберг, Митлид и Якобсен, создали устройство для создания шаров плазмы для изучения. Это устройство было идентично современным устройствам с «коаксиальным инжектором» (см. Ниже), и экспериментаторы были удивлены, обнаружив ряд интересных особенностей. Среди них было создание стабильных колец плазмы. Несмотря на свои многочисленные успехи, в 1964 году исследователи обратились к другим областям, и концепция инжектора оставалась бездействующей в течение двух десятилетий. [6]

Фоновая работа в Fusion [ править ]

В 1951 году начались попытки создания управляемого термоядерного синтеза для производства энергии. В этих экспериментах обычно использовалась какая-то импульсная энергия для создания больших магнитных сил, необходимых в экспериментах. Текущие масштабы и возникающие в результате силы были беспрецедентными. В 1957 году Гарольд Фурт , Левин и Ваниек сообщили о динамике больших магнитов, продемонстрировав, что ограничивающий фактор в характеристиках магнита был физическим; напряжения в магните превзойдут его собственные механические ограничения. Они предложили намотать эти магниты таким образом, чтобы силы внутри обмоток магнита нейтрализовались, «состояние отсутствия сил». Хотя в то время это еще не было известно, это то же магнитное поле, что и в сферомаке. [7]

В 1957 году установка ZETA (термоядерный реактор) начала работать в Великобритании. ZETA была в то время самым большим и мощным термоядерным устройством в мире. Он работал до 1968 года, когда многие устройства соответствовали его размеру. Во время работы экспериментальная группа заметила, что иногда плазма сохраняла удержание еще долго после того, как эксперимент якобы закончился [8], хотя в то время это еще не было изучено подробно. Спустя годы, в 1974 году, Джон Брайан Тейлор охарактеризовал эту самостабильную плазму, которую он назвал «неподвижной». Он разработал концепцию равновесия состояния Тейлора, состояния плазмы, которое сохраняет спиральность в ее минимально возможном энергетическом состоянии. Это привело к пробуждению компактного тороида.исследование. [9]

Другим подходом к слиянию была концепция тета-пинча , которая была похожа на z-пинч, который теоретически использовался в ZETA, но использовал другое расположение токов и полей. Работая над такой машиной в начале 1960-х, разработанной с конической зоной зажима, Бостик и Уэллс обнаружили, что машина иногда создает стабильные кольца плазмы. [10] Затем последовала серия машин для изучения этого явления. Одно измерение с помощью магнитного зонда обнаружило профиль тороидального магнитного поля сферомака; тороидальное поле равнялось нулю на оси, возрастало до максимума в некоторой внутренней точке, а затем уменьшалось до нуля у стенки. [9] Однако тета-пинч не смог достичь условий высокой энергии, необходимых для синтеза, и большая часть работ по тета-пинчу была завершена к 1970-м годам.

Золотой век [ править ]

Ключевой концепцией термоядерного синтеза является энергетический баланс любой машины, работающей с горячей плазмой.

Полезная мощность = эффективность * (термоядерный синтез - потеря радиации - потеря проводимости)

Это составляет основу критерия Лоусона . Чтобы увеличить скорость термоядерного синтеза, исследования были сосредоточены на «тройном продукте» - комбинации температуры, плотности и времени удержания плазмы. [11] Термоядерные устройства обычно делятся на два класса: импульсные машины, такие как z-пинч, которые пытались достичь высоких плотностей и температур, но только в течение микросекунд, в то время как концепции устойчивого состояния, такие как стелларатор и магнитное зеркало, пытались достичь критерия Лоусона в течение более длительного времени. время заключения.

В работе Тейлора было высказано предположение, что самостабильная плазма могла бы быть простым способом решения проблемы по оси времени удержания. Это вызвало новый виток теоретических разработок. В 1979 году Розенблют и Бюссак опубликовали статью, в которой описываются обобщения работ Тейлора, включая сферическое состояние с минимальной энергией, имеющее нулевое тороидальное поле на ограничивающей поверхности. [12] Это означает, что на оси устройства нет внешнего тока, и поэтому нет внешних катушек тороидального поля. Оказалось, что такой подход позволит создать термоядерные реакторы гораздо более простой конструкции, чем преобладающие подходы к стеллараторам и токамакам .

Практически за одну ночь появилось несколько экспериментальных устройств. Уэллс признал свои более ранние эксперименты примерами этой плазмы. Он переехал в Университет Майами и начал собирать средства для устройства, объединяющего две его более ранние конические системы тета-пинча, которые стали Trisops . В Японии Университет Нихон построил PS-1, в котором для производства сферомаков использовалась комбинация тета- и дзета-пинчей. Гарольд Фурт был воодушевлен перспективой менее дорогостоящего решения проблемы локализации и запустил S1 в Принстонской лаборатории физики плазмы , в которой использовался индукционный нагрев. Многие из этих ранних экспериментов были обобщены Фуртом в 1983 г. [13]

Кульминацией этих ранних экспериментов с MFE стал эксперимент с компактным тором (CTX) в Лос-Аламосе . Это было самое большое и мощное устройство той эпохи, генерирующее сферомаки с поверхностным током 1 МА, температурой 100 эВ и пиковым бета-коэффициентом электронов более 20%. [14] CTX экспериментировал с методами повторного ввода энергии в полностью сформированный сферомак, чтобы противодействовать потерям на поверхности. Несмотря на эти ранние успехи, к концу 1980-х годов токамак на порядки превзошел время удержания сферомаков. Например, JET достигал времени удержания порядка 1 секунды. [15]

Главное событие, завершившее большую часть работы сферомака, не было техническим; финансирование всей программы термоядерного синтеза США было резко сокращено в 86 финансовом году, и многие из «альтернативных подходов», которые включали сферомаки, были лишены финансирования. Существующие эксперименты в США продолжались до тех пор, пока не закончилось их финансирование, в то время как более мелкие программы в других местах, особенно в Японии и новой машине SPHEX в Великобритании, продолжались с 1979 по 1997 год [ сомнительно - обсудить ] . CTX получил дополнительное финансирование от Министерства обороны и продолжал эксперименты до 1990 года; последние опыты улучшили температуры до 400 эВ [16] и время удержания порядка 3 мс. [17]

Астрофизика [ править ]

В начале 1990-х работа со сферомаком широко использовалась астрофизическим сообществом для объяснения различных событий, а сферомак изучался как дополнение к существующим устройствам MFE.

Д.М. Руст и А. Кумар особенно активно использовали магнитную спиральность и релаксацию для изучения солнечных протуберанцев. [18] Аналогичная работа была проведена в Калифорнийском технологическом институте по Bellan и Хансны в Калифорнийском технологическом институте , [19] и Суортмор Spheromak Эксперимент проект (SSX) в Swarthmore College .

Аксессуар Fusion [ править ]

Некоторые работы MFE продолжались в течение этого периода, почти все они использовали сферомаки в качестве вспомогательных устройств для других реакторов. Caltech и INRS-EMT в Канаде использовали ускоренные сферомаки как способ заправки токамаков. [20] Другие исследовали использование сферомаков для придания спиральности токамакам, что в конечном итоге привело к устройству сферического тора с введенной спиральностью (HIST) и аналогичным концепциям для ряда существующих устройств. [21]

Защита [ править ]

Хаммер, Хартман и др. показали, что сферомаки могут быть ускорены до чрезвычайно высоких скоростей с помощью рельсотрона , что привело к нескольким предлагаемым применениям. Среди них было использование такой плазмы в качестве «пуль» для стрельбы по приближающимся боеголовкам в надежде, что связанные с ними электрические токи нарушат работу их электроники. Это привело к экспериментам по системе Звезды Шивы , хотя они были отменены в середине 1990-х годов. [22] [23]

Другие домены [ править ]

Другие предлагаемые варианты использования включали стрельбу сферомаками по металлическим целям для генерации интенсивных рентгеновских вспышек в качестве источника задней подсветки для других экспериментов. [20] В конце 1990-х концепции сферомака были применены к изучению фундаментальной физики плазмы, в частности, магнитного пересоединения . [20] Машины с двойным сферомаком были построены в Токийском университете , Принстоне (MRX) и Свортмор-колледже .

Возрождение [ править ]

В 1994 году Т. Кеннет Фаулер подводил итоги экспериментов CTX в 1980-х годах, когда он заметил, что время удержания пропорционально температуре плазмы. [20] Это было неожиданно; закон идеального газа , как правило гласит , что более высокие температуры в данной области удержания приводит к более высокой плотности и давления. В обычных устройствах, таких как токамак, эта повышенная температура / давление увеличивает турбулентность, что резко снижает время удержания. Если сферомак улучшил удержание с повышением температуры, это указывало на новый путь к реактору сферомака с уровнем воспламенения. [24] [25]

Обещание было настолько велико, что несколько новых экспериментов MFE начали изучать эти вопросы. Среди них следует отметить эксперимент по устойчивой физике сферомака (SSPX) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса , в котором изучались проблемы создания долгоживущих сферомаков с помощью электростатической инжекции дополнительной спиральности. [26] Также следует отметить эксперимент с постоянным индуктивным введением спиральности в тор (HIT-SI) в Вашингтонском университете под руководством профессора Томаса Джарбо. [27] Успех поддержки сферомаков с доказательством удержания давления [28] в этом эксперименте послужил поводом для создания новой концепции термоядерного реактора на основе сферомака, названной Dynomak.который, согласно прогнозам, будет конкурентоспособным по стоимости с традиционными источниками энергии. [29]

Теория [ править ]

Свободные от силы плазменные вихри обладают однородной магнитной спиральностью и, следовательно, устойчивы ко многим нарушениям. Обычно в более холодных регионах ток спадает быстрее, пока градиент спиральности не станет достаточно большим, чтобы позволить турбулентное перераспределение тока. [ необходима цитата ]

Вихри без силы подчиняются следующим уравнениям.

Первое уравнение описывает жидкость без сил Лоренца : силы всюду равны нулю. Для лабораторной плазмы α - постоянная величина, а β - скалярная функция пространственных координат.

Следует отметить , что, в отличие от большинства плазменных структур, то сила Лоренца и сила Магнуса , играют равноценные роли. - массовая плотность. [ необходима цитата ]

Поверхности магнитного потока сферомака тороидальные. Ток является полностью тороидальным у сердечника и полностью полоидальным у поверхности. Это [ требуется пояснение ] похоже на конфигурацию поля токамака , за исключением того, что генерирующие поле катушки проще и не проникают через плазменный тор. [ необходима цитата ]

Сферомаки подвержены воздействию внешних сил, в частности, теплового градиента между горячей плазмой и ее более холодным окружением. Обычно это приводит к потере энергии на внешней поверхности сферомака через излучение черного тела , что приводит к тепловому градиенту в самом сферомаке. Электрический ток в более холодных секциях движется медленнее, что в конечном итоге приводит к перераспределению энергии внутри, а турбулентность в конечном итоге разрушает сферомак. [ необходима цитата ]

Формирование [ править ]

Сферомаки образуются естественным образом при различных условиях, что позволяет им генерироваться разными способами. [30]

Самым распространенным современным устройством является пистолет или инжектор Маршалла. [16] Устройство состоит из двух вложенных друг в друга закрытых цилиндров. Внутренний цилиндр короче, внизу остается пустое место. [31] Электромагнит внутри внутреннего цилиндра создает начальное поле. Поле похоже на поле стержневого магнита , идущего вертикально вниз по центру внутреннего цилиндра и вверх по внешней стороне устройства. Магнит расположен так, что область, где поле переходит от центра к внешней стороне, где силовые линии примерно горизонтальны, совмещена с нижней частью внутреннего цилиндра.

Небольшое количество газа попадает в пространство между цилиндрами. Большой электрический заряд, поступающий от конденсаторной батареи, приложенной к цилиндрам, ионизирует газ. Токи, индуцированные в образовавшейся плазме, взаимодействуют с исходным магнитным полем, создавая силу Лоренца, которая отталкивает плазму от внутреннего цилиндра в пустую область. Через короткое время плазма стабилизируется в сферомак. [32]

Другие распространенные устройства включают открытый или конический тета-пинч.

Поскольку магнитное удержание сферомака является самогенерируемым, внешние магнитные катушки не требуются. Однако сферомак действительно испытывает "возмущение наклона", которое позволяет ему вращаться в пределах удерживаемой области. Это можно решить с помощью внешних магнитов, но чаще всего ограничивающая область оборачивается (обычно медным) проводником. Когда край тора сферомака приближается к проводящей поверхности, в нем индуцируется ток, который, следуя закону Ленца , реагирует, толкая сферомак обратно в центр камеры.

Также возможно получить тот же эффект с помощью единственного проводника, проходящего по центру камеры через «отверстие» в центре сферомака. [33] Поскольку токи в этом проводнике генерируются самостоятельно, это немного усложняет конструкцию. Однако стабильность можно дополнительно улучшить, пропустив внешний ток по центральному проводнику. По мере увеличения масштабов он приближается к условиям традиционного токамака, но имеет гораздо меньшие размеры и более простую форму. Эта эволюция привела к серьезным исследованиям сферического токамака в 1990-х годах.

См. Также [ править ]

  • Конфигурация с обратным полем , аналогичная концепция
  • Сферический токамак , по сути сферомак, сформированный вокруг центрального проводника / магнита.
  • Список статей по плазме (физике)
  • Диномак
  • МАРАУДЕР (Кольцо с магнитным ускорением для достижения сверхвысокой направленной энергии и излучения), теоретическое применение в качестве оружия

Ссылки [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Арни Геллер, «Эксперимент Путь подражает Природы с плазм» , Ливерморской национальной лаборатории
  2. ^ Браун, MR; Беллан, PM (30 апреля 1990 г.). «Токовый привод путем впрыска сферомака в токамак» (PDF) . Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 64 (18): 2144–2147. DOI : 10.1103 / physrevlett.64.2144 . ISSN  0031-9007 . PMID  10041595 .
  3. ^ Долан, Томас. Технология магнитного синтеза. Vol. 2. Нью-Йорк: Springer, 2012. Печать.
  4. ^ Bellan 2000 , стр. 6
  5. ^ Хупер и др. 1998 , стр. 3
  6. ^ Bellan 2000 , стр. 7-8
  7. ^ Bellan 2000 , стр. 7
  8. ^ Braams & Stott 2002 , стр. 94, 95.
  9. ^ a b Bellan 2000 , стр. 9
  10. ^ Bostick, Winston H .; Уэллс, Дэниел Р. (1963). «Азимутальное магнитное поле в коническом тета-пинче». Физика жидкостей . Издательство AIP. 6 (9): 1325–1331. DOI : 10.1063 / 1.1706902 . ISSN 0031-9171 . 
  11. Перейти ↑ Lawson, JD (1 января 1957 г.). «Некоторые критерии для энергетического термоядерного реактора». Труды физического общества. Раздел B . IOP Publishing. 70 (1): 6–10. DOI : 10.1088 / 0370-1301 / 70/1/303 . ISSN 0370-1301 . 
  12. ^ Розенблют, Миннесота; Бюссак, Миннесота (1 апреля 1979 г.). «МГД устойчивость Сферомака». Ядерный синтез . IOP Publishing. 19 (4): 489–498. DOI : 10.1088 / 0029-5515 / 19/4/007 . ISSN 0029-5515 . 
  13. ^ Bellan 2000 , стр. 12
  14. ^ Хупер и др. 1998 , стр. 4
  15. ^ Rebut, P.-H .; Уоткинс, ML; Гамбье, диджей; Баучер, Д. (1991). «Программа создания термоядерного реактора» (PDF) . Физика жидкостей B: Физика плазмы . Издательство AIP. 3 (8): 2209–2219. DOI : 10.1063 / 1.859638 . ISSN 0899-8221 .  
  16. ^ a b Хупер и Барнс 1996
  17. ^ "Физика в 1990-е годы", National Academies Press, 1986, стр. 198
  18. ^ "Публикации за годы"
  19. ^ Хансен, Дж. Фредди; Беллан, Пол М. (20 декабря 2001 г.). «Экспериментальная демонстрация того, как обвязка полей может препятствовать извержениям солнечного выступа» . Астрофизический журнал . IOP Publishing. 563 (2): L183 – L186. DOI : 10.1086 / 338736 . ISSN 0004-637X . 
  20. ^ а б в г Беллан 2000 , стр. 13
  21. ^ «Знакомство с Солнцем продвигает исследования термоядерного синтеза: инжекция коаксиальной спиральности может сделать термоядерные реакторы дешевле» , 9 ноября 2010 г.
  22. ↑ Jane's Defense Weekly , 29 июля 1998 г.
  23. ↑ Graham et al., "Shiva Star - Marauder Compact Torus System" , 16-19 июня 1991 г., стр. 990-993
  24. ↑ EB Hooper, JH Hammer, CW Barnes, JC Fern ́andez и FJ Wysocki, «Пересмотр экспериментов и возможностей сферомака», Fusion Technology , Volume 29 (1996), p. 191
  25. ^ Э. Б. Хупер и Т. К. Фаулер, "Сферомак-реактор: возможности и проблемы физики", Технология термоядерного синтеза , том 30 (1996), ог. 1390
  26. ^ «SSPX - поступательный Spheromak Физика Эксперимент» архивации 18 июля 2011 в Wayback Machine , Ливерморской национальной лаборатории
  27. ^ "Устойчивая индуктивная спиральность, введенный тор". Архивировано 15 марта 2015 года в Wayback Machine , Вашингтонский университет.
  28. ^ Виктор, BS; Jarboe, TR; Хансен, CJ; Akcay, C .; Morgan, KD; Hossack, AC; Нельсон, Б.А. (2014). «Устойчивые сферомаки с идеальной стабильностью n = 1 излома и удержанием давления». Физика плазмы . Издательство AIP. 21 (8): 082504. DOI : 10,1063 / 1,4892261 . ISSN 1070-664X . 
  29. ^ Сазерленд, DA; Jarboe, TR; Morgan, KD; Pfaff, M .; Lavine, ES; Kamikawa, Y .; Hughes, M .; Андрист, П .; Marklin, G .; Нельсон, Б.А. (2014). «Диномак: усовершенствованная концепция реактора сферомака с приводом от наложенного динамомашины и ядерными технологиями нового поколения». Fusion Engineering and Design . Elsevier BV. 89 (4): 412–425. DOI : 10.1016 / j.fusengdes.2014.03.072 . ISSN 0920-3796 . 
  30. ^ Что, стр. 1
  31. ^ Путь, стр. 5
  32. ^ Путь, стр. 6
  33. ^ Пол Czysz и Клаудио Бруно, «Будущие космические аппараты двигательных системы», Springer, 2009, стр. 529

Библиография [ править ]

  • «Основная библиография сферомака»
  • Беллан, Пол (2000). Сферомаки . Imperial College Press. ISBN 978-1-86094-141-2.CS1 maint: ref=harv (link)
  • Хупер, Э. Бикфорд; Барнс, Крис (23 апреля 1996 г.). «Сферомак - Альтернативная концепция MFE и эксперимент в области науки о плазме» .CS1 maint: ref=harv (link)
  • Хупер, ЭБ; и другие. (Апрель 1998 г.). «Путь сферомака к термоядерной энергии» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.CS1 maint: ref=harv (link)
  • «Сферомакс» , Калтех
  • "Путь сферомака к слиянию" , программа по термоядерной энергии, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса
  • "Что такое сферомак?" , Программа термоядерной энергии, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса
  • Braams, CM; Стотт, ЧП (2002). Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием . CRC Press. Bibcode : 2002nfhc.book ..... B . ISBN 978-1-4200-3378-6.CS1 maint: ref=harv (link)

Внешние ссылки [ править ]

  • Активность сферомака в Калтехе
  • Эксперимент Swarthmore Spheromak и его часто задаваемые вопросы
  • О SSPX в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса
    • Путь к более высоким температурам с помощью усиления тока в эксперименте по устойчивой физике сферомака (SSPX) (PDF)
    • "Эксперимент с помощью плазмы имитирует естественный образ природы" , декабрь 1999 г.
    • «Динамо плазмы» , сентябрь 2005 г.