Магнитное зеркало , также известное как магнитная ловушка или иногда как пиротрон , представляет собой тип устройства для термоядерного синтеза с магнитным удержанием , используемого в термоядерной энергетике для удержания высокотемпературной плазмы с помощью магнитных полей . Зеркало было одним из самых ранних основных подходов к термоядерной энергетике, наряду со стелларатором и машинами z-pinch .
В классическом магнитном зеркале конфигурация электромагнитов используется для создания области с увеличивающейся плотностью линий магнитного поля на обоих концах объема ограничения. Частицы, приближающиеся к концам, испытывают увеличивающуюся силу, которая в конечном итоге заставляет их менять направление и возвращаться в область ограничения. [1] Этот эффект зеркала будет иметь место только для частиц в пределах ограниченного диапазона скоростей и углов подхода, в то время как те, которые находятся за пределами ограничений, будут выходить, делая зеркала по своей сути «протекающими».
Анализ ранних термоядерных устройств Эдвардом Теллером показал, что базовая концепция зеркала изначально нестабильна. В 1960 году советские исследователи представили новую конфигурацию «минимум-B», чтобы решить эту проблему, которая затем была модифицирована британскими исследователями в «бейсбольную катушку», а американскими — в схему «магнит инь-ян». Каждое из этих внедрений приводило к дальнейшему повышению производительности, гасило различные нестабильности, но требовало все более крупных магнитных систем. Концепция тандемного зеркала , разработанная в США и России примерно в одно и то же время, предложила способ создания энергетически положительных машин без необходимости использования огромных магнитов и потребляемой мощности.
К концу 1970-х годов многие проблемы проектирования считались решенными, и в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса началась разработка испытательной установки Mirror Fusion Test Facility (MFTF) на основе этих концепций. Машина была завершена в 1986 году, но к этому времени эксперименты на меньшем Tandem Mirror Experiment выявили новые проблемы. В ходе раунда бюджетных сокращений MFTF был законсервирован и в конечном итоге списан. Концепция термоядерного реактора под названием Bumpy torus использовала ряд магнитных зеркал, соединенных в кольцо. Она исследовалась в Национальной лаборатории Оук-Ридж до 1986 года. [2] С тех пор зеркальный подход получил меньшее развитие в пользу токамака , но исследования зеркал продолжаются и сегодня в таких странах, как Япония и Россия. [3]
Концепция удержания плазмы с помощью магнитного зеркала была предложена в начале 1950-х годов независимо Гершем Будкером [4] в Курчатовском институте , Россия, и Ричардом Ф. Постом в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в США. [5]
С созданием проекта Sherwood в 1951 году Пост начал разработку небольшого устройства для проверки конфигурации зеркала. Оно состояло из линейной пирексовой трубки с магнитами по внешней стороне. Магниты были расположены в двух наборах, один набор небольших магнитов, равномерно расположенных по длине трубки, и еще пара гораздо более крупных магнитов на каждом конце. В 1952 году они смогли продемонстрировать, что плазма внутри трубки удерживалась гораздо дольше, когда магниты зеркала на конце были включены. В то время он называл это устройство «пиротроном», но это название не прижилось.
В своей ныне известной речи о термоядерном синтезе в 1954 году Эдвард Теллер отметил, что любое устройство с выпуклыми линиями магнитного поля, скорее всего, будет нестабильным, проблема, сегодня известная как желобковая нестабильность . [6] Зеркало имеет именно такую конфигурацию; магнитное поле было сильно выпуклым на концах, где напряженность поля увеличивалась. [a] Это вызвало серьезную обеспокоенность у Поста, но в течение следующего года его команда не смогла обнаружить никаких признаков этих проблем. В октябре 1955 года он зашел так далеко, что заявил, что «теперь становится ясно, что в случае зеркальной машины, по крайней мере, эти расчеты не применимы в деталях». [7]
В России первое малогабаритное зеркало («пробкотрон») было построено в 1959 году в Институте ядерной физики имени Будкера в Новосибирске , Россия. Они сразу увидели проблему, о которой предупреждал Теллер. Это привело к чему-то вроде загадки, поскольку американские группы под руководством Поста по-прежнему не имели никаких доказательств таких проблем. В 1960 году Пост и Маршалл Розенблют опубликовали отчет, «предоставивший доказательства существования стабильной ограниченной плазмы... где простейшая гидромагнитная теория предсказывает нестабильность». [8]
На встрече по физике плазмы в Зальцберге в 1961 году советская делегация представила значительные данные, показывающие нестабильность, в то время как американские группы продолжали не показывать ничего. Небрежный вопрос Льва Арцимовича решил вопрос; когда он спросил, были ли диаграммы, полученные с помощью приборов в американских машинах, скорректированы с учетом хорошо известной задержки в выходных данных используемых детекторов, внезапно стало ясно, что кажущаяся стабильность в 1 мс на самом деле была задержкой в 1 мс в измерениях. [9] Арцимович зашел так далеко, что заявил: «Теперь у нас нет ни одного экспериментального факта, указывающего на длительное и стабильное удержание плазмы с горячими ионами в простой геометрии магнитного зеркала». [10]
Вопрос о потенциальных нестабильностях рассматривался в этой области в течение некоторого времени, и было предложено несколько возможных решений. Они, как правило, работали путем изменения формы магнитного поля так, чтобы оно было вогнутым везде, так называемая конфигурация «минимума-B». [10]
На той же встрече 1961 года Михаил Иоффе представил данные эксперимента с минимальным B. Его конструкция использовала ряд из шести дополнительных токопроводящих стержней внутри типичного зеркала, чтобы согнуть плазму в форме скрученного галстука-бабочки для получения конфигурации с минимальным B. Они продемонстрировали, что это значительно улучшило время удержания до порядка миллисекунд. Сегодня эта конструкция известна как «стержни Иоффе». [10]
Группа в Калхэмском центре термоядерной энергетики отметила, что конструкцию Иоффе можно улучшить, объединив оригинальные кольца и стержни в единую новую конструкцию, похожую на шов на теннисном мяче. Эта концепция была подхвачена в США, где ее переименовали в честь шва на бейсбольном мяче. Эти «бейсбольные катушки» имели большое преимущество, заключающееся в том, что они оставляли внутренний объем реактора открытым, обеспечивая легкий доступ для диагностических инструментов. С другой стороны, размер магнита по сравнению с объемом плазмы был неудобен и требовал очень мощных магнитов. Позже Пост представил дальнейшее усовершенствование, «катушки инь-ян», которые использовали два С-образных магнита для создания той же конфигурации поля, но в меньшем объеме.
В США велись крупные изменения в программе термоядерного синтеза. Роберт Хирш и его помощник Стивен О. Дин были взволнованы огромным прогрессом в производительности, наблюдаемым в советских токамаках , что предполагало, что производство энергии теперь стало реальной возможностью. Хирш начал менять программу из той, которую он высмеивал как серию нескоординированных научных экспериментов, в запланированные усилия по достижению в конечном итоге безубыточности . В рамках этих изменений он начал требовать, чтобы текущие системы демонстрировали реальный прогресс, иначе они будут отменены. Неровный тор , левитрон и Астрон были заброшены не без борьбы. [11]
Дин встретился с командой Ливермора и дал понять, что Astron, скорее всего, будет урезан, и зеркала должны были бы улучшиться или также подвергнуться резке, что оставило бы лабораторию без крупных проектов по термоядерному синтезу. В декабре 1972 года Дин встретился с командой по зеркалам и выдвинул ряд требований; их системы должны были продемонстрировать значение nT 10 12 , по сравнению с текущим лучшим числом на 2XII 8x10 9 . После значительного беспокойства со стороны исследователей, что это будет невозможно, Дин отступил, и к концу 1975 года было продемонстрировано значение 10 11 . [11]
Хотя 2XII и не приближался к уровню, необходимому для требований Дина, он, тем не менее, был чрезвычайно успешным в демонстрации того, что схема инь-ян была работоспособной и подавляла основные нестабильности, наблюдавшиеся в более ранних зеркалах. Но по мере того, как эксперименты продолжались до 1973 года, результаты не улучшались, как ожидалось. Появились планы грубого нажима на производительность путем добавления инжекции нейтрального пучка для быстрого повышения температуры до достижения условий Дина. Результатом стал 2XIIB, B от "beams". [12]
Во время настройки 2XIIB, в ноябре 1974 года, Фаулер получил письмо от Иоффе, содержащее серию фотографий осциллограмм без каких-либо других объяснений. Фаулер понял, что они продемонстрировали, что инжекция теплой плазмы во время запуска улучшает удержание. Это, по-видимому, было связано с давно ожидаемой, но до сих пор не замеченной нестабильностью, известной как «дрейф-циклотронный конус потерь» или DCLC. [13] Фотографии Иоффе продемонстрировали, что DCLC наблюдался в советских реакторах, и что теплая плазма, по-видимому, стабилизировала его. [14]
Реактор 2XIIB начал реальные эксперименты в 1975 году, и сразу же был замечен значительный DCLC. Досадно, но эффект усиливался по мере улучшения условий эксплуатации с лучшим вакуумом и очисткой внутренних помещений. Фаулер понял, что производительность была идентична фотографиям Иоффе, и 2XIIB был модифицирован для впрыскивания теплой плазмы в середине запуска. Когда результаты были получены, их описали так: «солнечный свет пробивался сквозь облака, и был шанс, что все будет хорошо». [15]
В июле 1975 года команда 2XIIB представила свои результаты для nT при 7x10 10 , что на порядок лучше, чем 2XII, и достаточно близко к требованиям Дина. [15] К этому времени Принстонский Большой Торус был запущен и устанавливал рекорд за рекордом, побуждая Хирша начать планирование еще более крупных машин в начале 1980-х годов с явной целью достичь безубыточности , или Q = 1. Это стало известно как Тестовый реактор синтеза Токамак (TFTR), целью которого было работать на дейтерий - тритиевом топливе и достичь Q = 1, в то время как будущие машины должны были иметь Q > 10. [16]
С последними результатами по 2XIIB, казалось, что более крупная конструкция инь-ян также улучшит производительность. Однако расчеты показали, что она достигнет только Q = 0,03. Даже самые развитые версии базовой концепции с утечкой на абсолютном нижнем пределе, разрешенном теорией, могли достичь только Q = 1,2. Это сделало эти конструкции в значительной степени бесполезными для производства электроэнергии, и Хирш потребовал, чтобы это было улучшено, если программа будет продолжена. Эта проблема стала известна как «улучшение Q». [16]
В марте 1976 года команда Ливермора решила организовать рабочую группу по теме Q-усиления на международной встрече по термоядерному синтезу в Германии в октябре 1976 года. В течение выходных 4 июля Фаулер и Пост выступили с идеей тандемного зеркала, системы, состоящей из двух зеркал на обоих концах большой камеры, которая содержала большие объемы термоядерного топлива при более низком магнитном давлении. Они вернулись в LLNL в понедельник, чтобы обнаружить, что идея была независимо разработана штатным физиком Грантом Логаном. Они привезли более проработанные версии этих идей в Германию, чтобы найти советского исследователя, предлагающего точно такое же решение. [17]
По возвращении со встречи Дин встретился с командой и решил закрыть систему Baseball II и направить ее финансирование на проект тандемного зеркала. Это стало известно как эксперимент с тандемным зеркалом , или TMX. [18] Окончательный проект был представлен и одобрен в январе 1977 года. Строительство того, что тогда было крупнейшим экспериментом в Ливерморе, было завершено к октябрю 1978 года. К июлю 1979 года эксперименты продемонстрировали, что TMX работает так, как и ожидалось. [19]
Еще до того, как появилась концепция тандемного зеркала, то, что к тому времени стало Министерством энергетики, согласилось профинансировать строительство гораздо большего зеркала, известного как Испытательная установка по слиянию зеркал (MFTF). В то время план MFTF состоял в том, чтобы просто стать самым большим магнитом инь-ян, который кто-либо мог придумать, как построить. С успехом концепции TMX проект был изменен, чтобы стать MFTF-B, используя два самых больших магнита инь-ян, которые кто-либо мог придумать, как построить в огромной тандемной конфигурации. Целью было достичь Q = 5. К концу 1978 года, когда команды начали фактически рассматривать шаги по масштабированию TMX, стало ясно, что он просто не достигнет требуемых целей. [20] В январе 1979 года Фаулер остановил работу, заявив, что необходимо найти некоторые улучшения. [21]
Во время экспериментов на TMX, к всеобщему удивлению, было обнаружено, что закон, введенный Лайманом Спитцером в 1950-х годах, не соблюдается; по крайней мере, в TMX электроны на любой отдельной магнитной линии оказались в широком диапазоне скоростей, что было совершенно неожиданно. Дальнейшая работа Джона Клаузера показала, что это было связано с инжекцией теплой плазмы, используемой для подавления DCLC. Логан взял эти результаты и использовал их, чтобы придумать совершенно новый способ ограничения плазмы; с помощью тщательного расположения этих электронов можно было создать область с большим количеством «холодных» электронов, которые притягивали бы положительно заряженные ионы. Затем Дэйв Болдуин продемонстрировал, что это можно улучшить с помощью нейтральных пучков. Фаулер назвал результат « тепловым барьером », поскольку более горячее топливо отталкивалось от этих областей. Оказалось, что он мог поддерживать ограничение, используя гораздо меньше энергии, чем чистая концепция TMX. [22]
Этот результат предполагал, что MFTF не просто будет соответствовать произвольному значению Q = 5, но и станет реальным конкурентом токамаков, которые обещали гораздо более высокие значения Q. Фаулер начал проектировать другую версию MFTF, все еще называемую MFTF-B, основанную на концепции теплового барьера. Лаборатория решила, что им следует начать строительство, не имея никаких экспериментальных доказательств того, что концепция работает, чтобы получить конкурентоспособную машину примерно в то же время, что и TFTR. Пока эта огромная машина строилась, TMX должен был быть модифицирован для проверки концепции. [23]
28 января 1980 года Фаулер и его команда представили свои результаты в DOE. Демонстрируя, что TMX работает, и вооружившись дополнительными данными от Советов, а также компьютерным моделированием, они представили план начать строительство MFTF стоимостью 226 миллионов долларов, одновременно модернизируя TMX, чтобы добавить тепловые барьеры в TMX-U стоимостью 14 миллионов долларов. Предложение было принято, и началось строительство обеих систем, при этом TMX была закрыта в сентябре 1980 года для переоборудования. [24]
TMX-U начал эксперименты в июле 1982 года, к тому времени части MFTF размером с Boeing 747 устанавливались в здании 431. [25] Однако, когда они попытались поднять плотность плазмы до значений, которые были бы необходимы для MFTF, они обнаружили, что плазма, выходящая из центрального резервуара, подавляла тепловые барьеры. Не было никаких очевидных причин полагать, что то же самое не произойдет на MFTF. Если бы скорости, наблюдаемые в TMX-U, были типичными, не было бы никакого способа, чтобы MFTF приблизился даже отдаленно к своим целям Q. [26]
Строительство MFTF, уже заложенное в бюджет, продолжалось, и система была официально объявлена завершенной 21 февраля 1986 года по окончательной цене в 372 миллиона долларов. Поблагодарив команду за их вклад в создание системы, новый директор DOE Джон Кларк также объявил, что не будет никакого финансирования для ее эксплуатации. [27] Кларк позже сетовал, что решение об отмене проекта было очень трудным: «Было бы намного проще, если бы я мог указать на техническую неисправность». [26]
Он простоял без использования в течение года в надежде, что будет предоставлено оперативное финансирование. Но так и не было. Машина была списана в 1987 году. Министерство энергетики также сократило финансирование большинства других программ по созданию зеркал. [27]
Исследования магнитных зеркал продолжались в России, одним из современных примеров является Газодинамическая ловушка , экспериментальная термоядерная машина, используемая в Институте ядерной физики имени Будкера в Академгородке в Новосибирске (Новая Сибирь), Россия. Эта машина достигла бета-коэффициента 0,6 за 5⨉10 -3 секунд при низкой температуре 1 кэВ.
Концепция имела несколько технических проблем, включая поддержание немаксвелловского распределения скоростей. Это означало, что вместо того, чтобы множество высокоэнергетических ионов сталкивались друг с другом, энергия ионов распространялась по колоколообразной кривой. Затем ионы термализовались, оставляя большую часть материала слишком холодной для плавления. Столкновения также рассеивали заряженные частицы настолько, что их невозможно было удержать. Наконец, нестабильность пространства скоростей способствовала выходу плазмы . [ необходима цитата ]
В сентябре 2022 года исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон создали отдельную стартап-компанию под названием Realta Fusion для разработки и коммерциализации реакторов с тандемными зеркалами для снабжения промышленных технологических нужд малыми электростанциями. [28] Их заявленная цель — «самый низкий капитал, наименее сложный путь» к термоядерной энергии. [29] [30] [31] В мае 2023 года Министерство энергетики США предоставило компании дополнительное финансирование. [32]
Магнитные зеркала играют важную роль в других типах магнитных термоядерных энергетических устройств, таких как токамаки , где тороидальное магнитное поле сильнее на внутренней стороне, чем на внешней. Результирующие эффекты известны как неоклассические . Магнитные зеркала также встречаются в природе. Электроны и ионы в магнитосфере , например, будут отскакивать вперед и назад между более сильными полями на полюсах, что приведет к радиационным поясам Ван Аллена . [ требуется цитата ]
Зеркальный эффект можно показать математически. Предположим адиабатическую инвариантность магнитного момента , т.е. что магнитный момент частицы и полная энергия не изменяются. [33] Адиабатическая инвариантность теряется, когда частица занимает нулевую точку или зону отсутствия магнитного поля. [34] Магнитный момент можно выразить как:
Предполагается, что μ останется постоянной, пока частица движется в более плотном магнитном поле. Математически, чтобы это произошло, скорость, перпендикулярная магнитному полю, также должна возрасти. Между тем, полная энергия частицы может быть выражена как:
В областях без электрического поля, если полная энергия остается постоянной, то скорость, параллельная магнитному полю, должна упасть. Если она может стать отрицательной, то существует движение, отталкивающее частицу от плотных полей. [ необходима цитата ]
Магнитные зеркала сами по себе имеют зеркальное отношение, которое математически выражается как: [35]
В то же время частицы внутри зеркала имеют угол наклона . Это угол между вектором скорости частиц и вектором магнитного поля. [36] Удивительно, но частицы с малым углом наклона могут покинуть зеркало. [37] Говорят, что эти частицы находятся в конусе потерь . Отраженные частицы соответствуют следующим критериям: [38]
Где — скорость частицы, перпендикулярная магнитному полю, — скорость частицы, параллельная магнитному полю.
Этот результат был неожиданным, поскольку ожидалось, что более тяжелые и быстрые частицы или частицы с меньшим электрическим зарядом будет труднее отражать. Также ожидалось, что меньшее магнитное поле будет отражать меньше частиц. Однако гирорадиус в этих обстоятельствах также больше, так что радиальная составляющая магнитного поля, видимая частицей, также больше. Верно, что минимальный объем и магнитная энергия больше для случая быстрых частиц и слабых полей, но требуемое отношение зеркала остается прежним.
Свойства магнитных зеркал можно вывести, используя адиабатическую инвариантность магнитного потока при изменении напряженности магнитного поля. По мере того, как поле становится сильнее, скорость увеличивается пропорционально квадратному корню из B, а кинетическая энергия пропорциональна B. Это можно рассматривать как эффективный потенциал, связывающий частицу. [ необходима цитата ]
Магнитная бутылка — это два магнитных зеркала, расположенных близко друг к другу. Например, две параллельные катушки, разделенные небольшим расстоянием, несущие один и тот же ток в одном направлении, создадут между ними магнитную бутылку. В отличие от машины с полным зеркалом, которая обычно имела много больших колец тока, окружающих середину магнитного поля, бутылка обычно имеет только два кольца тока. Частицы вблизи любого конца бутылки испытывают магнитную силу по направлению к центру области; частицы с соответствующими скоростями многократно движутся по спирали от одного конца области к другому и обратно. Магнитные бутылки можно использовать для временного захвата заряженных частиц. Электроны легче захватывать , чем ионы, потому что электроны намного легче. [39] Этот метод используется для ограничения высокой энергии плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу.
Аналогичным образом неоднородное магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы, приходящие от Солнца, в областях вокруг Земли, имеющих форму бублика, называемых радиационными поясами Ван Аллена , которые были обнаружены в 1958 году с использованием данных, полученных с помощью приборов на борту спутника Explorer 1 .
Если один из полюсов в магнитной бутылке перевернуть, он станет биконическим каспом , который также может удерживать заряженные частицы. [40] [41] [42] Биконические каспы были впервые изучены Гарольдом Градом в Институте Куранта , исследования показывают наличие различных типов частиц внутри биконического каспа. Наиболее финансируемый подход каспа — это Компактный термоядерный реактор , который поддерживался Lockheed-Martin с 2007 года. [43]
