Kompaktní toroidní hybrid - Compact Toroidal Hybrid

Kompaktní toroidní hybrid
Kompaktní toroidní hybrid.jpg
Typ zařízeníStellarátor
UmístěníAlabama, Spojené státy
PřidruženíAuburn University
Technické specifikace
Major Radius0,75 m (2 ft 6 v)
Menší poloměr0,29 m (11 palců)
Objem plazmy0.6 m3
Magnetické pole0,4–0,7 T (4 000–7 000 G)
Topný výkon10 kW (ECH)
100 kW (ohmický)
Dějiny
Rok (y) provozu2005-současnost
PředcházetKompaktní kaštanový torsatron

The Kompaktní toroidní hybrid (CTH)[1] je experimentální zařízení v doméně Auburn University který používá magnetické pole omezit vysokou teplotu plazmy.[2][3] CTH je a torsatron Typ stellarator s externí, průběžně vinutou spirálovou cívkou, která generuje většinu magnetického pole pro uložení plazmy.

Pozadí

Hlavní článek: Stellarátor

Toroidní fúze magnetického vězení zařízení vytvářejí magnetická pole, která leží v a torus. Tato magnetická pole se skládají ze dvou složek, jedna složka ukazuje ve směru, který prochází dlouhou cestou kolem torusu (toroidní směr), zatímco druhá složka ukazuje ve směru, který je krátkou cestou kolem torusu (poloidální směr). Kombinace těchto dvou složek vytváří a spirálovitě tvarované pole. (Možná si představíte, že si vezmete pružnou tyč cukrová třtina a spojit oba konce.) Stellarátor Zařízení typu generují všechna potřebná magnetická pole s externími magnetickými cívkami. To se liší od tokamak zařízení, kde toroidní magnetické pole je generován vnějšími cívkami a poloidální magnetické pole vyrábí společnost elektrický proud protékající plazmou.

Výkres zobrazující vakuovou nádobu CTH (zobrazenou šedě) a cívky magnetického pole. HF (červená) - spirálové pole, TF - toroidní pole, OH1,2,3 - ohmické transformátorové cívky, MVF - hlavní vertikální pole, TVF - trim vertikální Field, SVF - Shaping Vertical Field, RF - Radial Field, EF, Equilibrium Field, ECC - Error Correction Coil

Zařízení CTH

Hlavní magnetické pole v CTH je generována kontinuálně vinutou spirálovou cívkou. Pomocná sada deseti cívek vytváří toroidní pole podobně jako pole a tokamak. Toto toroidní pole se používá ke změně rotační transformace omezující struktury magnetického pole. CTH typicky pracuje při magnetickém poli 0,5 až 0,6 tesla ve středu plazmy. CTH lze provozovat jako čistý stellarator, ale také má ohmický topný transformátorový systém pro pohon elektrického proudu v plazmě. Tento proud vytváří poloidální magnetické pole, které kromě zahřívání plazmy mění rotační transformaci magnetického pole. Vědci z CTH studují, jak dobře je plazma omezena, zatímco mění zdroj rotační transformace z vnějších cívek na plazmový proud.

Vakuová nádoba CTH je vyrobena z Inconel 625, který má vyšší elektrický odpor a nižší magnetickou permeabilitu než nerezová ocel. Tvorba plazmy a ohřev se dosahuje použitím 14 GHz, 10 kW elektronová cyklotronová rezonance topení (ECRH). 200 kW gyrotron byl nedávno nainstalován na CTH. Ohmické vytápění na CTH má příkon 100 kW.

Operace

  • Teploty elektronů v plazmě jsou obvykle až 200elektronvolty s hustotou elektronů až 5×1019 m−3.
  • Plazma trvá mezi 60 ms a 100 ms
  • Uložení dostatečné energie k napájení cívek magnetu trvá 6 min - 7 min

Subsystémy

Následující seznam poskytuje seznam subsystémů potřebných pro provoz CTH.

Diagnostika

CTH má velkou sadu diagnostiky pro měření vlastností plazmatu a magnetických polí. Následující text obsahuje seznam hlavních diagnostických funkcí.

V3FIT

Poslední uzavřené povrchy magnetického toku rekonstruované kódem V3FIT bez (levého) a (pravého) plazmového proudu. Zbarvení zobrazuje sílu magnetického pole, přičemž červené je nejsilnější pole a modrá je nejslabší. Ukázkové siločáry jsou zobrazeny bíle.

V3FIT[5] je kód k rekonstrukci rovnováhy mezi plazmou a omezujícím magnetickým polem v případech, kdy je magnetické pole toroidní povahy, ale ne osově souměrné jako je tomu v případě rovnováhy tokamaku. Protože stellarátory jsou neosymetrické, skupina CTH používá V3FIT a VMEC[6] kódy pro rekonstrukci rovnováhy. Kód V3FIT používá jako vstupy proudy v magnetických izolačních cívkách, plazmový proud a data z různých diagnostických zařízení, jako jsou Rogowského cívky, kamery SXR a interferometr. Výstup kódu V3FIT zahrnuje strukturu magnetického pole a profily plazmatického proudu, hustoty a emisivity SXR. Data z experimentu CTH byla a nadále jsou používána jako testovací lože pro kód V3FIT, který byl také použit pro rovnovážnou rekonstrukci na Helikálně symetrický experiment (HSX), Velké spirálové zařízení (LHD) a Wendelstein 7-X (W7-X) stellarators a Experiment s obráceným polem (RFX) a Madisonský symetrický torus (MST) sevření obráceného pole.

Cíle a hlavní úspěchy

CTH zásadním způsobem přispívá k fyzice současných nesoucích stellarátorů.[7][8][9] Vědci z CTH studovali limity a charakterizace narušení v závislosti na externě aplikované rotační transformaci (kvůli cívkám externích magnetů) pro:

Probíhající experimenty

Studenti a zaměstnanci CTH pracují na řadě experimentálních a výpočetních výzkumných projektů. Některé z nich jsou výhradně interní, zatímco jiné spolupracují s jinými univerzitami a národními laboratořemi ve Spojených státech i v zahraničí. Mezi aktuální výzkumné projekty patří:

  • Studie mezních hustot jako funkce vakuové rotační transformace
  • Pomocí spektroskopických technik k měření eroze wolframu pomocí DIII-D skupina
  • Měření toků plazmy systémem Coherence Imaging na CTH a na W-7X stellarator
  • Studie transportu těžkých iontů na W-7X stellarator
  • Studium přechodových oblastí mezi plně ionizovanými a neutrálně dominujícími plazmy
  • Implementace 4. kanálu pro systém interferometru
  • 2. harmonická elektronová cyklotronová rezonance ohřev pomocí gyrotronu

Dějiny

Auburn Torsatron
Auburn Torsatron.jpg
Typ zařízeníStellarátor
UmístěníAlabama, Spojené státy
PřidruženíAuburn University
Technické specifikace
Major Radius0,58 m (1 ft 11 v)
Menší poloměr0,14 m (5,5 palce)
Magnetické pole<0,2 T (2 000 G)
Dějiny
Rok (y) provozu1983 – 1990
UspělKompaktní kaštanový torsatron
Kompaktní kaštanový torsatron
CATphoto2.jpg
Typ zařízeníStellarátor
UmístěníAlabama, Spojené státy
PřidruženíAuburn University
Technické specifikace
Major Radius0,53 m (1 ft 9 v)
Menší poloměr0,11 m (4,3 palce)
Objem plazmy0.12 m3
Magnetické pole0,1 T (1 000 G)
Dějiny
Rok (y) provozu1990 – 2000
PředcházetAuburn Torsatron
UspělKompaktní toroidní hybrid

CTH je třetí torsatronové zařízení, které bylo postaveno na Auburn University. Předchozí zařízení magnetického vězení postavená na univerzitě byla:

Auburn Torsatron (1983–1990)

Auburn Torsatron měl spirálovou cívku l = 2, m = 10. Vakuová nádoba měla hlavní poloměr RÓ = 0,58 ms menším poloměrem aproti= 0,14 m. Síla magnetického pole byla | B | ≤ 0,2 T a plazma byla vytvořena pomocí ECRH pomocí magnetronu 2,45 GHz odebraného z mikrovlnné trouby. Auburn Torsatron byl použit ke studiu základní fyziky a diagnostiky plazmatu a technik magnetického mapování povrchu[12][13]

Kompaktní kaštanový torsatron[14] (1990–2000)

Compact Auburn Torsatron (CAT) měl dvě spirálové cívky, l = 1, m = 5 a l = 2, m = 5, jejichž proudy bylo možné ovládat nezávisle. Změnou relativních proudů mezi spirálovými cívkami se změnila rotační transformace. Hlavní poloměr vakuové nádoby byl RÓ = 0,53 ms plazmou malého poloměru aproti= 0,11 m. Síla magnetického pole v ustáleném stavu byla | B | Plazma 0,1 T. CAT byla vytvořena s ECRH pomocí zdroje magnetronu s nízkým zvlněním, 6 kW, 2,45 GHz. CAT byl použit ke studiu magnetických ostrovů,[15] minimalizace magnetického ostrova,[16] a řízené plazmové rotace[17]

Ostatní stellarátory

Níže je uveden seznam dalších Stellaratorů v USA a po celém světě:

Reference

  1. ^ Hartwell, G. J .; Knowlton, S. F .; Hanson, J. D .; Ennis, D. A .; Maurer, D. A. (2017). „Návrh, konstrukce a provoz kompaktního toroidního hybridu“. Věda a technologie fúze. 72 (1): 76. doi:10.1080/15361055.2017.1291046. S2CID  125968882.
  2. ^ „Simulace kompaktního toroidního hybridu pomocí NIMROD“ (PDF). Laboratoř fyziky plazmatu Princeton. Spojené státy: PPPL, Ministerstvo energetiky Spojených států. 13. listopadu 2011. s. 18.
  3. ^ Bader, Aaron (ORCID: 000000026003374X); Hegna, C. C .; Cianciosa, Mark R. (ORCID: 0000000162115311); Hartwell, G. J. (2018-03-16). „Minimální magnetické zakřivení pro pružné směrovače využívající kompaktní toroidní hybridní geometrii“. Fyzika plazmy a řízená fúze. Spojené státy: Úřad pro vědecké a technické informace, Ministerstvo energetiky Spojených států. 60 (5): 054003. doi:10.1088 / 1361-6587 / aab1ea. Citováno 2019-09-27.
  4. ^ Herfindal, J.L .; Dawson, J.D .; Ennis, D. A.; Hartwell, G.J .; Loch, S.D .; Maurer, D.A. (2014). „Návrh a počáteční provoz dvoubarevného měkkého rentgenového kamerového systému v experimentu Compact Toroidal Hybrid“. Recenze vědeckých přístrojů. 85 (11): 11D850. doi:10.1063/1.4892540. PMID  25430263.
  5. ^ Hanson, J.D .; Hirshman, S.P .; Knowlton, S.F .; Lao, L.L .; Lazarus, E.A.; Shields, J.M. (2009). "V3FIT: kód pro rekonstrukci trojrozměrné rovnováhy". Jaderná fůze. 49 (7): 075031. doi:10.1088/0029-5515/49/7/075031.
  6. ^ Hirshman, S.P .; Whitson, J. C. (1983). „Metoda nejstrmějšího sestupu pro trojrozměrné magnetohydrodynamické rovnováhy“. Fyzika tekutin. 26 (12): 3553. doi:10.1063/1.864116. OSTI  5537804.
  7. ^ Ma, X .; Cianciosa, M.R .; Ennis, D. A.; Hanson, J.D .; Hartwell, G.J .; Herfindal, J.L .; Howell, E.C .; Knowlton, S.F .; Maurer, D.A .; Tranverso, P.J. (2018). "Stanovení profilů proudu a rotační transformace v stellarátoru nesoucím proud pomocí měření měkké rentgenové emisivity". Fyzika plazmatu. 25: 012516. doi:10.1063/1.5013347. OSTI  1418890.
  8. ^ Roberds, NA; Guazzotto, L .; Hanson, J.D .; Herfindal, J.L .; Howell, E.C .; Maurer, D.A .; Sovinec, C.R. (2016). "Simulace pilování v proudovém stellarátoru". Fyzika plazmatu. 23 (9): 092513. doi:10.1063/1.4962990.
  9. ^ Ma, X .; Maurer, D.A .; Knowlton, S.F .; ArchMiller, M.C .; Cianciosa, M.R .; Ennis, D. A.; Hanson, J.D .; Hartwell, G.J .; Hebert, J.D .; Herfindal, J.L .; Pandya, M.D .; Roberds, NA; Traverso, P.J. (2015). „Neosymetrická rovnovážná rekonstrukce stellarátoru nesoucího proud pomocí měření vnějšího magnetického a měkkého poloměru rentgenového inverze“. Fyzika plazmatu. 22 (12): 122509. doi:10.1063/1.4938031. OSTI  1263869.
  10. ^ Pandya, M.D .; ArchMiller, M.C .; Cianciosa, M.R .; Ennis, D. A.; Hanson, J.D .; Hartwell, G.J .; Hebert, J.D .; Herfinday, J.L .; Knowlton, S.F .; Ma, X .; Massida, S .; Maurer, D.A .; Roberds, NA; Traverso, P.J. (2015). "Provoz s nízkým okrajem bezpečnostního faktoru a zabránění pasivnímu narušení v plazmech nesoucích proud přidáním rotační transformace stellarátoru". Fyzika plazmatu. 22 (11): 110702. doi:10.1063/1.4935396.
  11. ^ ArchMiller, M.C .; Cianciosa, M.R .; Ennis, D. A.; Hanson, J.D .; Hartwell, G.J .; Hebert, J.D .; Herfindal, J.L .; Knowlton, S.F .; Ma, X .; Maurer, D.A .; Pandya, M.D .; Tranverso, P.J. (2014). "Potlačení vertikální nestability v prodloužených plazmech nesoucích proud aplikací rotační transformace stellarátoru". Fyzika plazmatu. 21 (5): 056113. doi:10.1063/1.4878615.
  12. ^ Gandy, R. F .; Henderson, M. A .; Hanson, J. D .; Hartwell, G. J .; Swanson, D. G. (1987). "Magnetické povrchové mapování s emisní filamentovou technikou na kaštanovém torzatronu". Recenze vědeckých přístrojů. 58 (4): 509–515. doi:10.1063/1.1139261.
  13. ^ Hartwell, G. J .; Gandy, R. F .; Henderson, M. A .; Hanson, J. D .; Swanson, D. G .; Bush, C. J.; Colchin, R. J .; Anglie, A. C .; Lee, D.K. (1988). "Magnetické povrchové mapování s vysoce transparentními obrazovkami na kaštanovém torzatronu". Recenze vědeckých přístrojů. 59 (3): 460–466. doi:10.1063/1.1139861.
  14. ^ Gandy, R.F .; Henderson, M. A.; Hanson, J.D .; Knowlton, S.F .; Schneider, T. A.; Swanson, D.G .; Cary, J. R. (1990). "Návrh kompaktního kaštanového Torsatronu". Technologie fúze. 18 (2): 281. doi:10.13182 / FST90-A29300.
  15. ^ Henderson, M. A .; Gandy, R. F .; Hanson, J. D .; Knowlton, S. F .; Swanson, D. G. (1992). "Měření magnetických povrchů na Compact Auburn Torsatron". Recenze vědeckých přístrojů. 63 (12): 5678–5684. doi:10.1063/1.1143349.
  16. ^ Gandy, R. F .; Hartwell, G. J .; Hanson, J. D .; Knowlton, S. F .; Lin, H. (1994). "Ovládání magnetickým ostrovem na kompaktním kaštanovém torzatronu". Fyzika plazmatu. 1 (5): 1576–1582. doi:10.1063/1.870709.
  17. ^ Thomas, Jr., E.E; Knowlton, S. F .; Gandy, R. F .; Cooney, J .; Prichard, D .; Pruitt, T. (1998). "Řízená rotace plazmy v kompaktním kaštanovém torzatronu". Fyzika plazmatu. 5 (11): 3991–3998. doi:10.1063/1.873120.

externí odkazy