Сферомак — это структура плазмы, сформированная в тороидальную форму, похожую на дымовое кольцо . [1] Сферомак содержит большие внутренние электрические токи и связанные с ними магнитные поля , расположенные таким образом, что магнитогидродинамические силы внутри сферомака почти сбалансированы, что приводит к длительному ( микросекундному ) времени удержания без внешних полей. Сферомаки относятся к типу плазменной конфигурации, называемой компактными тороидами . Сферомак может быть создан и поддерживаться с помощью инжекции магнитного потока , что приводит к динамаку . [2]
Физика сферомака и столкновений сферомаков похожа на множество астрофизических событий, таких как корональные петли и нити , релятивистские струи и плазмоиды . Они особенно полезны для изучения событий магнитного пересоединения, когда сталкиваются два или более сферомака. Сферомаки легко создавать с помощью «пушки», которая выбрасывает сферомаки с конца электрода в удерживающую область, называемую консерватором потока . Это сделало их полезными в лабораторных условиях, и пушки сферомаков 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 магнитной термоядерной энергии из-за их длительного времени удержания , которое было на том же уровне, что и у лучших токамаков , когда они впервые были изучены. Хотя они имели некоторые успехи в 1970-х и 80-х годах, эти небольшие и низкоэнергетические устройства имели ограниченную производительность, и большинство исследований сферомаков прекратилось, когда финансирование термоядерного синтеза было резко сокращено в конце 1980-х годов. Однако в конце 1990-х годов 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 по магнитному удержанию, такой как токамак . [ 3]
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 проходить по часовой стрелке или против часовой стрелки относительно направления вращения плазмы. [4]
Сферомак подвергся нескольким отдельным периодам исследований, наибольшие усилия были приложены в 1980-х годах, а его возрождение произошло в 2000-х годах.
Ключевым понятием в понимании сферомака является магнитная спиральность — величина, описывающая «закрученность» магнитного поля в плазме.
Самая ранняя работа по этим концепциям была разработана Ханнесом Альфвеном в 1943 году [5], которая принесла ему Нобелевскую премию по физике 1970 года . Его разработка концепции волн Альвена объяснила долговременную динамику плазмы, поскольку электрические токи, движущиеся внутри них, создавали магнитные поля , которые, подобно динамо , порождали новые токи. В 1950 году Лундквист экспериментально исследовал волны Альвена в ртути и ввел характерное число Лундквиста , которое описывает проводимость плазмы. В 1958 году Лодевейк Вольтьер , работая над астрофизической плазмой, отметил, что сохраняется, что подразумевает, что извилистое поле будет пытаться сохранить свою извилистость даже при приложении к нему внешних сил. [6]
Начиная с 1959 года, Альфвен и команда, включающая Линдберга, Митлида и Якобсена, построили устройство для создания шаров плазмы для изучения. Это устройство было идентично современным устройствам «коаксиального инжектора» (см. ниже), и экспериментаторы были удивлены, обнаружив ряд интересных поведений. Среди них было создание стабильных колец плазмы. Несмотря на многочисленные успехи, в 1964 году исследователи обратились к другим областям, и концепция инжектора оставалась бездействующей в течение двух десятилетий. [7]
В 1951 году начались попытки создания управляемого термоядерного синтеза для производства электроэнергии. В этих экспериментах обычно использовалась какая-то импульсная мощность для подачи больших магнитных сил, необходимых в экспериментах. Текущие величины и результирующие силы были беспрецедентными. В 1957 году Гарольд Фюрт , Левин и Ванек сообщили о динамике больших магнитов, продемонстрировав, что ограничивающим фактором в работе магнита был физический фактор; напряжения в магните превзойдут его собственные механические ограничения. Они предложили наматывать эти магниты таким образом, чтобы силы внутри обмоток магнита уравновешивались, «состояние отсутствия сил». Хотя в то время это не было известно, это то же самое магнитное поле, что и в сферомаке. [8]
В 1957 году в Великобритании начала работать машина ZETA (реактор термоядерного синтеза) . В то время ZETA была самым большим и мощным устройством термоядерного синтеза в мире. Она работала до 1968 года, к тому времени многие устройства достигли ее размеров. Во время ее работы экспериментальная группа заметила, что иногда плазма сохраняла удержание еще долгое время после того, как экспериментальный запуск, по-видимому, закончился, [9] хотя тогда это не было изучено подробно. Спустя годы, в 1974 году, Джон Брайан Тейлор охарактеризовал эту самоустойчивую плазму, которую он назвал «неподвижной». Он разработал концепцию равновесия состояния Тейлора , состояния плазмы, которое сохраняет спиральность в своем самом низком возможном энергетическом состоянии. Это привело к возобновлению исследований компактных тороидов . [10]
Другим подходом к термоядерному синтезу была концепция тета-пинча , которая была похожа на z-пинч, используемый в ZETA в теории, но использовала другое расположение токов и полей. Работая над такой машиной в начале 1960-х годов, спроектированной с конической областью пинча, Бостик и Уэллс обнаружили, что машина иногда создавала стабильные кольца плазмы. [11] Затем последовала серия машин для изучения этого явления. Одно измерение магнитного зонда обнаружило тороидальный профиль магнитного поля сферомака; тороидальное поле было равно нулю на оси, достигало максимума в некоторой внутренней точке, а затем снижалось до нуля на стенке. [10] Однако тета-пинч не смог достичь высокоэнергетических условий, необходимых для термоядерного синтеза, и большая часть работ по тета-пинчу была завершена к 1970-м годам.
Ключевым понятием в термоядерном синтезе является энергетический баланс для любой машины, осуществляющей синтез горячей плазмы.
Чистая мощность = КПД * (Синтез – Потери на излучение – Потери на проводимость)
Это формирует основу критерия Лоусона . Для увеличения скорости синтеза исследования были сосредоточены на «тройном продукте» — комбинации температуры плазмы, плотности и времени удержания. [12] Устройства для синтеза обычно делятся на два класса: импульсные машины, такие как z-пинч , которые пытаются достичь высоких плотностей и температур, но только в течение микросекунд, в то время как концепции стационарного состояния, такие как стелларатор и магнитное зеркало, пытаются достичь критерия Лоусона посредством более длительного времени удержания.
Работа Тейлора предполагала, что самоустойчивая плазма будет простым способом подойти к проблеме вдоль оси времени удержания. Это вызвало новый виток теоретических разработок. В 1979 году Розенблут и Буссак опубликовали статью, описывающую обобщения работы Тейлора, включая сферическое минимальное энергетическое состояние с нулевым тороидальным полем на ограничивающей поверхности. [13] Это означает, что на оси устройства нет внешнего тока, и поэтому нет внешних катушек тороидального поля. Казалось, что этот подход позволит создать термоядерные реакторы значительно более простой конструкции, чем преобладающие подходы стелларатора и токамака .
Несколько экспериментальных устройств появились почти за одну ночь. Уэллс признал свои более ранние эксперименты примерами этих плазм. Он переехал в Университет Майами и начал собирать средства на устройство, объединяющее две его более ранних конических системы тета-пинча, которые стали Trisops . В Японии Университет Нихон построил PS-1, который использовал комбинацию тета- и дзета-пинчей для производства сферомаков. Гарольд Фёрт был взволнован перспективой менее дорогостоящего решения проблемы ограничения и начал S1 в Принстонской лаборатории физики плазмы , которая использовала индуктивный нагрев. Многие из этих ранних экспериментов были обобщены Фёртом в 1983 году. [14]
Эти ранние эксперименты MFE достигли кульминации в эксперименте Compact Torus Experiment (CTX) в Лос-Аламосе . Это было самое большое и мощное устройство той эпохи, генерирующее сферомаки с поверхностными токами 1 МА, температурами 100 эВ и пиковыми электронными бета-частицами более 20%. [15] CTX экспериментировал с методами повторного введения энергии в полностью сформированный сферомак, чтобы противостоять потерям на поверхности. Несмотря на эти ранние успехи, к концу 1980-х годов токамак превзошел время удержания сферомаков на порядки. Например, JET достигал времени удержания порядка 1 секунды. [16]
Главное событие, положившее конец большинству работ по сферомакам, не было техническим; финансирование всей программы США по термоядерному синтезу было резко сокращено в 86 финансовом году, и многие из «альтернативных подходов», включая сферомаки, были лишены финансирования. Существующие эксперименты в США продолжались до тех пор, пока их финансирование не закончилось, в то время как более мелкие программы в других местах, в частности в Японии и новая машина SPHEX в Великобритании, продолжались с 1979 по 1997 год [ сомнительно – обсудить ] . CTX получила дополнительное финансирование от Министерства обороны и продолжала эксперименты до 1990 года; последние запуски улучшили температуру до 400 эВ, [17] и время удержания порядка 3 мс. [18]
В начале 1990-х годов сферомак широко использовался астрофизическим сообществом для объяснения различных событий, а сферомак изучался как дополнение к существующим устройствам МФЭ.
Д. М. Раст и А. Кумар были особенно активны в использовании магнитной спиральности и релаксации для изучения солнечных протуберанцев. [19] Подобная работа была проведена в Калтехе Белланом и Хансеном в Калтехе , [20] и в проекте Swarthmore Spheromak Experiment (SSX) в колледже Суортмор .
Некоторые работы по MFE продолжались в течение этого периода, почти все они использовали сферомаки в качестве вспомогательных устройств для других реакторов. Калифорнийский технологический институт и INRS-EMT в Канаде использовали ускоренные сферомаки в качестве способа дозаправки токамаков. [21] Другие изучали использование сферомаков для введения спиральности в токамаки, что в конечном итоге привело к устройству Helicity Injected Spherical Torus (HIST) и аналогичным концепциям для ряда существующих устройств. [22]
Хаммер, Хартман и др. показали, что сферомаки можно разогнать до чрезвычайно высоких скоростей с помощью рельсотрона , что привело к нескольким предложенным вариантам использования. Среди них было использование такой плазмы в качестве «пуль» для стрельбы по приближающимся боеголовкам с надеждой, что связанные с ней электрические токи нарушат их электронику. Это привело к экспериментам на системе Shiva Star , хотя они были отменены в середине 1990-х годов. [23] [24]
Другие предложенные варианты использования включали стрельбу сферомаками по металлическим мишеням для генерации интенсивных рентгеновских вспышек в качестве источника подсветки для других экспериментов. [21] В конце 1990-х годов концепции сферомаков были применены для изучения фундаментальной физики плазмы, в частности магнитного пересоединения . [21] Двойные машины сферомаков были построены в Токийском университете , Принстоне (MRX) и колледже Суортмор .
В 1994 году Т. Кеннет Фаулер обобщал результаты экспериментальных запусков CTX в 1980-х годах, когда он заметил, что время удержания пропорционально температуре плазмы. [21] Это было неожиданно; закон идеального газа обычно гласит, что более высокие температуры в данной области удержания приводят к более высокой плотности и давлению. В обычных устройствах, таких как токамак, эта повышенная температура/давление увеличивает турбулентность, которая резко снижает время удержания. Если сферомак улучшил удержание с повышением температуры, это предложило новый путь к реактору сферомака с уровнем зажигания. [25] [26]
Перспектива была настолько велика, что несколько новых экспериментов MFE начали изучать эти вопросы. Среди них следует отметить Sustained Spheromak Physics Experiment (SSPX) в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе , в котором изучались проблемы создания долгоживущих сферомаков посредством электростатической инъекции дополнительной спиральности. [27] Также следует отметить эксперимент с инжектированным тором с устойчивой индуктивной спиральностью (HIT-SI) в Вашингтонском университете под руководством профессора Томаса Джарбо. [28] Успех поддержания сферомаков с доказательством ограничения давления [29] в этом эксперименте побудил создать новую концепцию термоядерного реактора на основе сферомака под названием Dynomak , которая, как прогнозируется, будет конкурентоспособной по стоимости с традиционными источниками энергии. [30]
Вихри плазмы без силы имеют однородную магнитную спиральность и поэтому устойчивы ко многим нарушениям. Обычно ток затухает быстрее в более холодных областях, пока градиент спиральности не станет достаточно большим, чтобы обеспечить турбулентное перераспределение тока. [ необходима цитата ]
Вихри без силы подчиняются следующим уравнениям.
Первое уравнение описывает жидкость без силы Лоренца : силы везде равны нулю. Для лабораторной плазмы α является константой, а β — скалярной функцией пространственных координат.
Обратите внимание, что, в отличие от большинства плазменных структур, сила Лоренца и сила Магнуса играют эквивалентные роли. — это плотность массы. [ необходима ссылка ]
Поверхности магнитного потока Сферомака тороидальные. Ток полностью тороидальный в ядре и полностью полоидальный на поверхности. Это [ необходимо уточнение ] похоже на конфигурацию поля токамака , за исключением того, что катушки, создающие поле, проще и не проникают в плазменный тор. [ необходима цитата ]
Сферомаки подвержены внешним силам, в частности, тепловому градиенту между горячей плазмой и ее более холодным окружением. Как правило, это приводит к потере энергии на внешней поверхности сферомака через излучение черного тела , что приводит к тепловому градиенту в самом сферомаке. Электрический ток распространяется медленнее в более холодных секциях, в конечном итоге приводя к перераспределению энергии внутри, а турбулентность в конечном итоге разрушает сферомак. [ необходима цитата ]
Сферомаки образуются естественным образом в различных условиях, что позволяет производить их разными способами. [31]
Наиболее распространенным современным устройством является пистолет Маршалла или инжектор. [17] Устройство состоит из двух вложенных друг в друга закрытых цилиндров. Внутренний цилиндр короче, оставляя пустое пространство внизу. [32] 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 аппарата. Магнит расположен так, что область, где поле петляет от центра наружу, где линии поля примерно горизонтальны, выровнена с нижней частью внутреннего цилиндра.
Небольшое количество газа вводится в область между цилиндрами. Большой электрический заряд, подаваемый конденсаторной батареей, приложенной к цилиндрам, ионизирует газ. Токи, индуцированные в образовавшейся плазме, взаимодействуют с исходным магнитным полем, создавая силу Лоренца , которая выталкивает плазму из внутреннего цилиндра в пустую область. Через короткий период плазма стабилизируется в сферомак. [33]
Другие распространенные устройства включают открытый или конический тета-щипок.
Поскольку магнитное удержание сферомака генерируется самостоятельно, внешние магнитные катушки не требуются. Однако сферомак испытывает «наклонное возмущение», которое позволяет ему вращаться в области удержания. Это можно решить с помощью внешних магнитов, но чаще всего область удержания обернута (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 одним проводником, проходящим по центру камеры, через «отверстие» в центре сферомака. [34] Поскольку токи этого проводника генерируются самостоятельно, это немного усложняет конструкцию. Однако стабильность может быть дополнительно улучшена путем пропускания внешнего тока в центральном проводнике. По мере увеличения тока он приближается к условиям традиционного токамака, но в гораздо меньших размерах и более простой форме. Эта эволюция привела к значительным исследованиям сферического токамака в 1990-х годах.
