stringtranslate.com

Конфигурация с обратным полем

Конфигурация с обращенным полем: тороидальный электрический ток индуцируется внутри цилиндрической плазмы, создавая полоидальное магнитное поле, обращенное относительно направления внешнего приложенного магнитного поля. Полученный высокобета-осесимметричный компактный тороид является самоограниченным.

Конфигурация с обращенным полем ( FRC ) — это тип плазменного устройства, изучаемого как средство получения ядерного синтеза . Оно удерживает плазму на замкнутых линиях магнитного поля без центрального проникновения. [1] [2] В FRC плазма имеет форму самоустойчивого тора, похожего на дымовое кольцо .

FRC тесно связаны с другим самоустойчивым магнитным устройством термоядерного синтеза , сферомаком . Оба считаются частью класса компактных тороидальных устройств термоядерного синтеза. FRC обычно имеют плазму, которая более вытянута, чем сферомаки, имея общую форму выдолбленной сосиски, а не приблизительно сферического сферомака.

FRC были основной областью исследований в 1960-х и 1970-х годах, но возникли проблемы с масштабированием в практические тройные продукты синтеза (целевые комбинации плотности, температуры и времени удержания). Интерес вернулся в 1990-х годах, и по состоянию на 2019 год FRC были активной областью исследований.

История

FRC впервые наблюдался в лабораториях в конце 1950-х годов во время экспериментов с тета-пинчем с обратным фоновым магнитным полем. [3] Первоначальная идея была приписана греческому ученому и инженеру Николасу К. Христофилосу , который разработал концепцию E-слоев для термоядерного реактора Astron . [4]

Первые исследования были проведены в Военно-морской исследовательской лаборатории США (NRL) в 1960-х годах. Были собраны значительные данные, опубликовано более 600 статей. [5] Почти все исследования проводились в ходе проекта Шервуд в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) с 1975 по 1990 год, [6] и в течение 18 лет в Редмондской лаборатории физики плазмы Вашингтонского университета , [7] с большим экспериментом s (LSX). [8]

Более поздние исследования проводились в Исследовательской лаборатории ВВС (AFRL), [9] Институте термоядерных технологий (FTI) Университета Висконсин-Мэдисон , [10] Принстонской лаборатории физики плазмы , [11] и Калифорнийском университете в Ирвайне . [12]

Частные компании в настоящее время изучают FRC для производства электроэнергии, включая General Fusion , TAE Technologies и Helion Energy . [13]

Двигатель с безэлектродным двигателем Лоренца (ELF), разработанный MSNW, был попыткой спроектировать космическое двигательное устройство. [14] ELF был кандидатом в программе усовершенствованного электрического двигателя NextSTEP НАСА , наряду с двигателем Холла с вложенными каналами X-3 и VASIMR [15] до того, как MSNW распалась.

Приложения

Основное применение — термоядерная энергетика.

FRC также рассматривается для исследования дальнего космоса , не только как возможный источник ядерной энергии, но и как средство ускорения топлива до высоких уровней удельного импульса (I sp ) для электрических космических кораблей и термоядерных ракет , при этом интерес к этому проявило NASA . [16] [17] [18] [19] [20]

Сравнения

Разница между FRC и Spheromak

Производство термоядерной энергии путем удержания плазмы магнитными полями наиболее эффективно, если силовые линии не проникают в твердые поверхности, а замыкаются в окружности или тороидальные поверхности. Основные концепции удержания линии токамака и стелларатора делают это в тороидальной камере, что позволяет в значительной степени контролировать магнитную конфигурацию, но требует очень сложной конструкции. Конфигурация с обращенным полем предлагает альтернативу, в которой силовые линии замкнуты, обеспечивая хорошее удержание, но камера является цилиндрической, что позволяет упростить и облегчить конструкцию и обслуживание. [21]

Конфигурации с обращенным полем и сферомаки вместе известны как компактные тороиды . Сферомаки и FRC отличаются тем, что сферомак имеет дополнительное тороидальное поле. Это тороидальное поле может проходить в том же или противоположном направлении, что и вращающаяся плазма. [22] В сферомаке сила тороидального магнитного поля аналогична силе полоидального поля . Напротив, FRC имеет небольшую или нулевую компоненту тороидального поля и ограничивается исключительно полоидальным полем. Отсутствие тороидального поля означает, что FRC не имеет магнитной спиральности и что он имеет высокую бета . Высокая бета делает FRC привлекательным в качестве термоядерного реактора и хорошо подходящим для безнейтронного топлива из-за низкого требуемого магнитного поля. Сферомаки имеют β  ≈ 0,1, тогда как типичный FRC имеет β  ≈ 1. [23] [24]

Формирование

Размеры FRC, включая S-параметр.

В современных экспериментах FRC плазменный ток, который меняет полярность магнитного поля, может быть создан различными способами.

Когда конфигурация с обращенным полем формируется с использованием метода тета-пинча (или индуктивного электрического поля), цилиндрическая катушка сначала создает аксиальное магнитное поле. Затем газ предварительно ионизируется, что «замораживает» поле смещения с точки зрения магнитогидродинамики , в конце концов аксиальное поле меняется на противоположное, отсюда «конфигурация с обращенным полем». На концах происходит повторное соединение поля смещения и основного поля, что создает замкнутые линии поля. Основное поле еще больше повышается, сжимая и нагревая плазму и обеспечивая вакуумное поле между плазмой и стенкой. [25]

Известно, что нейтральные пучки управляют током в токамаках [26] путем прямой инжекции заряженных частиц. FRC также могут быть сформированы, поддерживаться и нагреваться путем применения нейтральных пучков. [24] [27] В таких экспериментах, как указано выше, цилиндрическая катушка создает однородное осевое магнитное поле, а газ вводится и ионизируется, создавая фоновую плазму. Затем в плазму инжектируются нейтральные частицы. Они ионизируются, и более тяжелые, положительно заряженные частицы образуют токовое кольцо, которое меняет полярность магнитного поля.

Сферомаки — это конфигурации типа FRC с конечным тороидальным магнитным полем. FRC были сформированы путем слияния сферомаков противоположного и компенсирующего тороидального поля. [28]

Вращающиеся магнитные поля также использовались для создания тока. [29] В таких экспериментах, как выше, газ ионизируется и создается аксиальное магнитное поле. Вращающееся магнитное поле создается внешними магнитными катушками, перпендикулярными оси машины, и направление этого поля вращается вокруг оси. Когда частота вращения находится между гирочастотами ионов и электронов, электроны в плазме вращаются вместе с магнитным полем («увлекаются»), создавая ток и обращая магнитное поле. Совсем недавно так называемые вращающиеся магнитные поля нечетной четности [30] [31] использовались для сохранения замкнутой топологии FRC. Было аналитически показано, что при очень высокой критической пороговой величине вращающегося магнитного поля «нечетной четности» осесимметричные равновесные линии магнитного поля теряют замкнутость и фундаментально изменяют топологию поля. [31]

Орбиты отдельных частиц

Траектория частицы FRC, в которой частица начинает с циклотронного движения внутри нуля, переходит в бетатронное движение и заканчивается циклотронным движением вне нуля. Это движение происходит в средней плоскости машины. Катушки находятся выше и ниже рисунка.

FRC содержат важную и необычную особенность: «магнитный ноль» или круговую линию, на которой магнитное поле равно нулю. Это обязательно так, поскольку внутри нуля магнитное поле указывает одно направление, а снаружи нуля магнитное поле указывает противоположное направление. Частицы, далекие от нуля, следуют замкнутым циклотронным орбитам, как и в других геометриях магнитного синтеза. Однако частицы, пересекающие ноль, следуют не циклотронным или круговым орбитам, а бетатронным или восьмеркоподобным орбитам [32] , поскольку кривизна орбиты меняет направление, когда она пересекает магнитный ноль.

Поскольку орбиты частиц не являются циклотронными, модели поведения плазмы, основанные на циклотронном движении, такие как магнитогидродинамика (МГД), неприменимы в области вокруг нуля. Размер этой области связан с s-параметром [33] или отношением расстояния между нулем и сепаратрисой, и тепловым ионным гирорадиусом. При высоких s большинство частиц не пересекают нуль, и этот эффект пренебрежимо мал. При низких s, ~2, этот эффект доминирует, и FRC называется «кинетическим», а не «МГД».

Стабильность плазмы

При низком s-параметре большинство ионов внутри FRC следуют по большим бетатронным орбитам (их средний гирорадиус составляет около половины размера плазмы), которые типичны для физики ускорителей, а не для физики плазмы . Эти FRC очень стабильны, поскольку плазма не доминирует над обычными частицами с малым гирорадиусом, как в других термодинамически равновесных или нетермических плазмах . Их поведение не описывается классической магнитогидродинамикой , поэтому нет волн Альвена и почти нет МГД-неустойчивостей , несмотря на их теоретическое предсказание, [ требуется ссылка ] , и они избегают типичного «аномального транспорта», т. е. процессов, в которых происходит избыточная потеря частиц или энергии . [34] [35] [36]

По состоянию на 2000 год изучается несколько оставшихся неустойчивостей:

Эксперименты

Двигательная установка космического корабля

Устройства с конфигурацией с обратным полем рассматривались для движителей космических аппаратов. Наклонив стенки устройства наружу, плазмоид может быть ускорен в осевом направлении и из устройства, создавая тягу.

Внешние ссылки

Ссылки

  1. ^ Фрейдберг, Джеффри П. (2007). Физика плазмы и термоядерная энергия . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-85107-7.
  2. ^ Фрейдберг, Джеффри П. (2015). Физика плазмы и энергия термоядерного синтеза (DJVU) . Издательство Кембриджского университета. стр. 335. Получено 13 мая 2023 г. – через интернет-архив.
  3. ^ Kolb, AC; Dobbie, CB; Griem, HR (1 июля 1959 г.). «Смешивание полей и связанное с этим производство нейтронов в плазме». Physical Review Letters . 3 (1). Первоначальная идея была приписана греческому ученому и инженеру Николасу К. Христофилосу.: 5–7. Bibcode : 1959PhRvL...3....5K. doi : 10.1103/PhysRevLett.3.5.(требуется подписка)
  4. ^ Рейндерс, Л. Дж. (2021). Сказка о ядерном синтезе. Хам, Швейцария: Springer International Publishing. стр. 83. doi : 10.1007/978-3-030-64344-7. ISBN 978-3-030-64343-0. S2CID  241339825.
  5. ^ ab Tuszewski, M. (ноябрь 1988). "Field reversed configurations". Nuclear Fusion . 28 (11): 2033. doi : 10.1088/0029-5515/28/11/008 . S2CID  122791237.
  6. ^ McKenna KF, Armstrong WT, Barnes DC, Bartsch RR, Chrien RE, Cochrane JC, Klingner PL, Hugrass WN, Linford RK, Rej DJ, Schwarzmeier JL, Sherwood EG, Siemon RE, Spencer RL, Tuszewski M (1985). "Исследование конфигурации с обратным полем в Лос-Аламосе". Nuclear Fusion . 25 (9): 1317. doi :10.1088/0029-5515/25/9/057. S2CID  122374822.
  7. ^ "Веб-страница Лаборатории физики плазмы Редмонда". Архивировано из оригинала 2015-02-19.
  8. ^ Хоффман, Алан Л.; Кэри, Ларри Л.; Кроуфорд, Эдвард А.; Хардинг, Деннис Г.; ДеХарт, Теренс Э.; Макдональд, Кеннет Ф.; Макнил, Джон Л.; Милрой, Ричард Д.; Слау, Джон Т.; Македа, Рикардо; Вурден, Глен А. (март 1993 г.). "Эксперимент с большой конфигурацией поля с обращенным полем". Fusion Science and Technology . 23 (2): 185–207. Bibcode : 1993FuTec..23..185H. doi : 10.13182/FST93-A30147. OSTI  6514222.
  9. ^ Киртли, Дэвид; Браун, Дэниел Л.; Галлимор, Алек Д.; Хаас, Джеймс (июнь 2005 г.). Подробности о плазменном устройстве с обращенной конфигурацией поля AFRL (PDF) (технический отчет). Исследовательская лаборатория ВВС.
  10. ^ "Веб-страница Института технологий термоядерного синтеза, Университет Висконсин-Мэдисон". Архивировано из оригинала 2020-05-16 . Получено 2014-06-08 .
  11. ^ Коэн, Сэмюэл (2012-10-31). "Первая операция устройства PFRC-2". Бюллетень Американского физического общества . 57 (12). Bibcode : 2012APS..DPPPP8051C.
  12. ^ Harris, WS; Trask, E.; Roche, T.; Garate, EP; Heidbrink, WW; McWilliams, R. (20 ноября 2009 г.). "Измерения потока ионов и анализ тока плазмы в конфигурации с обращенным полем Ирвина" (PDF) . Физика плазмы . 16 (11). Американский институт физики: 112509. Bibcode : 2009PhPl...16k2509H. doi : 10.1063/1.3265961. S2CID  103136706.
  13. ^ Поддар, Яш (11 марта 2014 г.). «Могут ли стартапы сделать ядерный синтез возможным?». Стэнфордский университет .
  14. ^ Панкотти, Энтони. «Свидетельские показания перед космическим подкомитетом Комитета по науке, космосу и технологиям Палаты представителей США на слушаниях по космическим двигателям: стратегический выбор и варианты 29 июня 2017 г.» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2022 г. . Получено 8 апреля 2019 г. .
  15. ^ "Программа NASA NextSTEP Advanced Electric Propulsion Activities" (PDF) . NASA. 9 июля 2018 г. . Получено 8 апреля 2019 г. .
  16. ^ Вессель, Ф. Дж. (2000). «Космическая двигательная система реактора термоядерного синтеза со встречными пучками». Труды конференции AIP . Том 504. С. 1425–1430. doi : 10.1063/1.1290961. ISBN 978-1563969195.
  17. ^ Чунг, А. (2004). «Космическая двигательная система термоядерного реактора со встречными пучками». Труды конференции AIP . Том 699. С. 354–361. doi :10.1063/1.1649593.
  18. ^ Слау, Джон; Панкотти, Энтони; Пфафф, Майкл; Пиль, Кристофер; Вотрубек, Джордж (ноябрь 2012 г.). Ракета с термоядерным приводом (PDF) . NIAC 2012. Хэмптон, Вирджиния: Инновационные передовые концепции NASA.
  19. ^ Слау, Джон; Панкотти, Энтони; Киртли, Дэвид; Вотрубек, Джордж (6–10 октября 2013 г.). Электромагнитное движение с использованием термоядерного синтеза (PDF) . 33-я Международная конференция по электродвижению (IEPC-2013). Вашингтон, округ Колумбия: Университет Джорджа Вашингтона.
  20. ^ "Ракета с ядерным синтезом может достичь Марса за 30 дней". Space.com . 10 апреля 2013 г.
  21. ^ Рыжков, Сергей В. (2002). "Особенности формирования, удержания и устойчивости конфигурации с обращенным полем" (PDF) . Вопросы атомной науки и техники . Физика плазмы. 7 (4): 73–75. ISSN  1682-9344.
  22. ^ Долан, Томас. Технология магнитного синтеза. Том 2. Нью-Йорк: Springer, 2012. Печать.
  23. ^ Оно, Y (1999). «Новая релаксация слияния сферомаков в конфигурацию с обратным полем». Nuclear Fusion . 39 (11Y): 2001–2008. Bibcode : 1999NucFu..39.2001O. doi : 10.1088/0029-5515/39/11Y/346. S2CID  250871394.
  24. ^ ab Момита Окамото Номура (1987). «Усовершенствованные виды топлива в конфигурации с обратным полем». Fusion Science and Technology . 11 (2): 436–450. Bibcode : 1987FuTec..11..436M. doi : 10.13182/FST87-A25020 . Получено 05.01.2016 .
  25. ^ Slough, J (2011). "Создание высокотемпературной плазмы посредством слияния и сжатия сверхзвуковых полей плазмоидов обратной конфигурации". Nuclear Fusion . 51 (5): 053008. Bibcode : 2011NucFu..51e3008S. doi : 10.1088/0029-5515/51/5/053008. S2CID  120579314.
  26. ^ Тагучи, М (1992-01-01). "Приблизительное выражение для тока, управляемого пучком в плазме токамака". Nuclear Fusion . 32 (1): 143–150. Bibcode :1992NucFu..32..143T. doi :10.1088/0029-5515/32/1/i12. S2CID  250743246.
  27. ^ Ростокер, Н.; Биндербауэр, М.; Монкхорст, Х. Дж. (1996-01-01). «Реакторы термоядерного синтеза на основе встречных пучков в плазме с обращенной конфигурацией поля». Технология термоядерного синтеза . 30 (3): 1395–1402. Bibcode : 1996FuTec..30.1395R. doi : 10.13182/FST96-A11963143.
  28. ^ Ji, H.; Belova, E .; Gerhardt, SP; Yamada, M. (2006-12-01). "Последние достижения в концепции SPIRIT (самоорганизованная плазма с методами индукции, пересоединения и инжекции)". Journal of Fusion Energy . 26 (1–2): 93–97. Bibcode : 2007JFuE...26...93J. doi : 10.1007/s10894-006-9043-4. ISSN  0164-0313. S2CID  59377360.
  29. ^ Джонс, Иуан Р. (1999-05-01). «Обзор вращающегося магнитного поля тока привода и работы ротамака как конфигурации с обращенным полем (Rotamak-FRC) и сферического токамака (Rotamak-ST)». Физика плазмы . 6 (5): 1950–1957. Bibcode : 1999PhPl....6.1950J. doi : 10.1063/1.873452. ISSN  1070-664X.
  30. ^ Glasser, AH ; Cohen, SA (2002-05-01). "Ускорение ионов и электронов в конфигурации с обращенным полем и вращающимся магнитным полем нечетной четности". Physics of Plasmas . 9 (5): 2093–2102. Bibcode :2002PhPl....9.2093G. doi :10.1063/1.1459456. ISSN  1070-664X.
  31. ^ ab Ahsan, T.; Cohen, SA (июль 2022 г.). «Аналитический подход к оценке замыкания магнитного поля и топологических изменений в устройствах FRC». Physics of Plasmas . 29 (7): 072507. Bibcode : 2022PhPl...29g2507A. doi : 10.1063/5.0090163 . S2CID  251140943.
  32. ^ Ван, MY; Майли, GH (1979-01-01). "Орбиты частиц в зеркалах с обращенным полем". Nuclear Fusion . 19 (1): 39. doi :10.1088/0029-5515/19/1/005. ISSN  0029-5515. S2CID  120544136.
  33. ^ ab Slough, JT; Hoffman, AL (1988). "Наблюдение устойчивости наклона конфигураций с обращенным полем при больших s". Nuclear Fusion . 28 (6): 1121. doi :10.1088/0029-5515/28/6/016. S2CID  121761596.
  34. ^ Rostoker, N.; Wessel, FJ; Rahman, HU; Maglich, BC; Spivey, B. (22 марта 1993 г.). «Магнитный синтез с самосталкивающимися ионными пучками высокой энергии». Physical Review Letters . 70 (1818): 1818–1821. Bibcode : 1993PhRvL..70.1818R. doi : 10.1103/PhysRevLett.70.1818. PMID  10053394. S2CID  32950265.
  35. ^ Биндербауэр, М. В.; Ростокер, Н. (декабрь 1996 г.). «Турбулентный транспорт в магнитном удержании: как его избежать». Журнал физики плазмы . 56 (3): 451–465. Bibcode : 1996JPlPh..56..451B. doi : 10.1017/S0022377800019413. S2CID  122582085.
  36. ^ Ростокер, Н.; Биндербауэр, М. В.; Вессель, Ф. Дж.; Монкхорст, Х. Дж. Реактор термоядерного синтеза на коллидирующих пучках (PDF) . Приглашенный доклад, специальная сессия по усовершенствованным видам топлива APS-DPP. Американское физическое общество. Архивировано из оригинала (PDF) 2002-01-26.
  37. ^ Герхардт, СП; Белова, Э .; Иномото, М.; Ямада, М.; Джи, Х.; Рен, Й.; Курицын, А. (2006). "Исследования равновесия и устойчивости сплющенных конфигураций с обращенным полем в эксперименте по магнитному пересоединению" (PDF) . Физика плазмы . 13 (11): 112508. Bibcode :2006PhPl...13k2508G. doi :10.1063/1.2360912.
  38. ^ Омельченко, Ю. А. (27–29 марта 2000 г.). Стабилизация наклонной моды FRC с помощью самогенерируемого тороидального поля (PDF) . Международная конференция Sherwood 2000 Fusion/Plasma Theory Conference. Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Калифорния: General Atomics Fusion Energy Research. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-12-16.
  39. ^ Тушевский, М. (1984). «Экспериментальное исследование равновесия конфигураций с обращенным полем». Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 26 (8): 991–1005. Bibcode :1984PPCF...26..991T. doi :10.1088/0741-3335/26/8/004. S2CID  250861012.
  40. ^ Охи, С.; Минато, Т.; Каваками, Ю.; Тандзё, М.; Окада, С.; Ито, Ю.; Како, М.; Гото, С.; Ишимура, Т.; Ито, Х. (1983). «Квадрупольная стабилизация вращательной неустойчивости n = 2 обращенной по полю плазмы тета-пинча». Письма о физических отзывах . 51 (12): 1042. Бибкод : 1983PhRvL..51.1042O. doi :10.1103/PhysRevLett.51.1042.
  41. ^ Хоффман, АЛ (1983). «Подавление вращательной неустойчивости n=2 в конфигурациях с обращенным полем». Физика жидкостей . 26 (6): 1626–1629. Bibcode : 1983PhFl...26.1626H. doi : 10.1063/1.864298.
  42. ^ Го, Х.; Хоффман, А.; Милрой, Р.; Миллер, К.; Вотрубек, Г. (2005). «Стабилизация режимов обмена вращающимися магнитными полями». Physical Review Letters . 94 (18): 185001. Bibcode : 2005PhRvL..94r5001G. doi : 10.1103/PhysRevLett.94.185001. PMID  15904379.
  43. ^ Slough, J.; Miller, K. (2000). "Enhanced Confinement and Stability of a Field-Reversed Configuration with Rotating Magnetic Field Current Drive" (PDF) . Physical Review Letters . 85 (7): 1444–7. Bibcode :2000PhRvL..85.1444S. doi :10.1103/PhysRevLett.85.1444. PMID  10970525. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-10-17.
  44. ^ Steinhauer, Loren C. (июль 2011 г.). «Обзор конфигураций с обращенным полем». Physics of Plasmas . 18 (7): 070501. Bibcode : 2011PhPl...18g0501S. doi : 10.1063/1.3613680. ISSN  1070-664X.