штат Тейлор

Сравнение различных состояний Тейлора внутри Dynomak.

В физике плазмы состояние Тейлора — это минимальное энергетическое состояние плазмы , при котором плазма сохраняет магнитный поток . ^[1] Впервые это было предложено Джоном Брайаном Тейлором в 1974 году, и он подкрепил это утверждение данными с машины ZETA . ^[2]

Тейлор-Стейтс имеет решающее значение для работы как Dynomak , так и обратного поля Pinch — оба работают в Тейлор-Стейтс.

Примеры

В 1974 году доктор Джон Б. Тейлор предположил, что сферомак может быть сформирован путем индуцирования магнитного потока в петлевой плазме. Затем плазма естественным образом релаксирует в сферомак, также известный как состояние Тейлора. ^{[3] [4]} Этот процесс работает, если плазма:

• Сохранился полный магнитный поток
• Минимизировал общую энергию

Эти заявления были позже проверены Маршаллом Розенблютом в 1979 году. ^[5] В 1974 году доктор Тейлор мог использовать только результаты, полученные с помощью устройства ZETA, чтобы подтвердить эти заявления. Но с тех пор состояния Тейлора были сформированы в нескольких машинах, включая:

• Compact Torus Experiment (CTX) в Лос-Аламосе. CTX работал с ~1979 по ~1987 в Лос-Аламосе. Он достиг электронной температуры 4,6 миллиона кельвинов ^[6], работал 3 микросекунды ^[7] и имел отношение плазменного давления к магнитному 0,2. ^[8]
• Sustained Spheromak Physics Experiment (SSPX) в Ливерморе был более продвинутой версией CTX, которая использовалась для измерения процесса релаксации, приводящего к состоянию Тейлора. SSPX работал в Ливерморе с 1999 по 2007 год. ^[9]
• Эксперимент «Сферомак» в Калтехе представлял собой небольшой эксперимент, проводившийся лабораторией доктора Пола Белланса в Калтехе с ~2000 по ~2010 год.
• Helicity Injected Torus-Steady Inductive (HIT-SI) в Университете Вашингтона управлялся доктором Джарбо с 2004 по 2012 год и был предшественником Dynomak. Эта машина создавала 90 килоампер стабильного тока плазмы в течение нескольких (<2) микросекунд. ^[10] Эта машина также показала первую демонстрацию Imposed-Dynamo Current Drive (IDCD) в 2011 году. ^[11] Прорыв IDCD позволил группе доктора Джарбоса представить первую версию этой машины в масштабе реактора; названную Dynomak.

Вывод

Рассмотрим замкнутую, односвязную, сохраняющую поток, идеально проводящую поверхность, окружающую плазму с пренебрежимо малой тепловой энергией ( ). ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle \beta \rightarrow 0}$

Так как на . Это подразумевает, что . ${\displaystyle {\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}=0}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle {\vec {A}}_{||}=0}$

Как обсуждалось выше, плазма будет релаксировать к минимальному энергетическому состоянию, сохраняя при этом свою магнитную спиральность. Поскольку граница идеально проводит, не может быть никаких изменений в связанном потоке. Это подразумевает и на . ${\displaystyle \delta {\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}=0}$ ${\displaystyle \delta {\vec {A}}_{||}=0}$ ${\displaystyle S}$

Формулируется вариационная задача минимизации энергии плазмы при сохранении магнитной спиральности . ${\displaystyle W=\int d^{3}rB^{2}/2\mu _{\circ }}$ ${\displaystyle K=\int d^{3}r{\vec {A}}\cdot {\vec {B}}}$

Вариационная задача имеет вид . ${\displaystyle \delta W-\lambda \delta K=0}$

После некоторых алгебраических преобразований это приводит к следующему ограничению для минимального энергетического состояния . ${\displaystyle \nabla \times {\vec {B}}=\lambda {\vec {B}}}$

Ссылки

1. Пол М. Беллан (2000). Сферомакс: практическое применение магнитогидродинамических динамо и плазменной самоорганизации . Imperial College Press. стр. 71–79. ISBN 978-1-86094-141-2.
2. Тейлор, Дж. Брайан. «Релаксация тороидальной плазмы и генерация обратных магнитных полей». Physical Review Letters 33.19 (1974): 1139.
3. Беллан, Пол (2000). Сферомакс. Imperial College Press. ISBN 978-1-86094-141-2.
4. Тейлор, Дж. Брайан. «Релаксация тороидальной плазмы и генерация обратных магнитных полей». Physical Review Letters 33.19 (1974): 1139.
5. Розенблют, М. Н. и М. Н. Буссак. «МГД-стабильность сферомака». Nuclear Fusion 19.4 (1979): 489
6. JARBOE, TR, WYSOCKI, FJ, FERNÁNDEZ, JC, HENINS, I., MARKLIN, GJ, Phys. Fluids B 2 (1990) 1342-1346
7. «Физика в 1990-е годы», National Academies Press, 1986, стр. 198.
8. WYSOCKI, FJ, FERNÁNDEZ, JC, HENINS, I., JARBOE, TR, MARKLIN, GJ, Phys. Rev. Letters 21 (1988) 2457-2460
9. Вуд, РД и др. «Управление частицами в физическом эксперименте с устойчивым сферомаком». Журнал ядерных материалов 290 (2001): 513-517.
10. Сик, П.Е. и др. «Первые результаты по плазме от HIT-SI Spheromak». Тезисы докладов APS Division of Plasma Physics Meeting. Том 45. 2003.
11. Сазерленд, Д.А. и др. «Диномак: усовершенствованная концепция термоядерного реактора с приводом от наложенного динамо-тока и ядерными энергетическими технологиями следующего поколения».