Helically Symmetric Experiment ( HSX , стилизованный как Helically Symmetric eXperiment ) — экспериментальное устройство для удержания плазмы в Университете Висконсин-Мэдисон , принципы конструкции которого предназначены для внедрения в термоядерный реактор . HSX — это модульный катушечный стелларатор , представляющий собой сосуд высокого давления в форме тороида с внешними электромагнитами , которые генерируют магнитное поле для удержания плазмы. Он начал работать в 1999 году. [1]
Стелларатор — это устройство для термоядерного синтеза с магнитным удержанием , которое использует внешние магнитные катушки для создания всех магнитных полей, необходимых для удержания высокотемпературной плазмы. Напротив, в токамаках и пинчах с обратным полем магнитное поле создается путем взаимодействия внешних магнитов и электрического тока, протекающего через плазму. Отсутствие этого большого внешнего тока плазмы делает стеллараторы подходящими для стационарных термоядерных электростанций.
Однако из-за неосесимметричной природы полей старые стеллараторы имеют комбинацию тороидальной и спиральной модуляции линий магнитного поля, что приводит к высокому транспорту плазмы из объема удержания в условиях, соответствующих термоядерному синтезу, решенному в Wendelstein 7-X, который имеет лучшее удержание частиц, чем ожидаемое в ITER, и достигает продолжительности плазмы 30 минут. Этот большой транспорт в старых стеллараторах может ограничить их производительность как термоядерных реакторов .
Эту проблему можно в значительной степени уменьшить, подгоняя геометрию магнитного поля. Значительные улучшения в возможностях компьютерного моделирования за последние два десятилетия помогли «оптимизировать» магнитную геометрию для уменьшения этого переноса, что привело к появлению нового класса стеллараторов, называемых « квазисимметричными стеллараторами». Смоделированные на компьютере странного вида электромагниты будут напрямую создавать необходимую конфигурацию магнитного поля. Эти устройства сочетают в себе хорошие свойства удержания токамаков и стационарную природу обычных стеллараторов. Эксперимент по спиральной симметрии (HSX) в Университете Висконсин-Мэдисон является таким квазиспирально симметричным стелларатором ( винтовая ось симметрии ).
Магнитное поле в HSX генерируется набором из 48 скрученных катушек, расположенных в четырех периодах поля. HSX обычно работает при магнитном поле 1 Тесла в центре плазменного столба. Набор вспомогательных катушек используется для преднамеренного нарушения симметрии, чтобы имитировать свойства обычного стелларатора для сравнения.
Вакуумный сосуд HSX изготовлен из нержавеющей стали и имеет спиральную форму, соответствующую геометрии магнитного поля.
Формирование и нагрев плазмы достигается с помощью электронно-циклотронного резонансного нагрева (ECRH) мощностью 28 ГГц и мощностью 100 кВт. Недавно на HSX был установлен второй гиротрон мощностью 100 кВт для проведения исследований модуляции теплового импульса. [2]
Плазма с температурой до 3 килоэлектронвольт и около 8 × 1012 /см3 в плотности обычно образуются для различных экспериментов. [ необходима цитата ]
Эксперименты показали, что краевые магнитные острова влияют на подачу и выхлоп частиц. В HSX наличие цепи магнитных островов на краю плазмы увеличивает отношение источника плазмы к выхлопу, но снижает эффективность подачи на 25%. Перемещение острова радиально внутрь уменьшает как эффективное, так и глобальное время удержания частиц. Этот процесс эффективен для управления временем подачи плазмы и выхлопа гелия. [3]
HSX имеет большой набор диагностик для измерения свойств плазмы и магнитных полей. Ниже приведен список основных диагностик и подсистем.
HSX внес и продолжает вносить фундаментальный вклад в физику квазисимметричных стеллараторов, демонстрируя значительные улучшения по сравнению с традиционной концепцией стелларатора. [ необходима ссылка ] К ним относятся:
Большое количество экспериментальных и вычислительных исследовательских работ проводится в HSX студентами, сотрудниками и преподавателями. Некоторые из них проводятся в сотрудничестве с другими университетами и национальными лабораториями, как в США, так и за рубежом. Основные исследовательские проекты в настоящее время перечислены ниже:
