Konfigurace s obráceným polem - Field-reversed configuration

Konfigurace s obráceným polem: toroidní elektrický proud je indukován uvnitř válcového plazmatu, čímž vzniká poloidální magnetické pole, obrácené vzhledem ke směru externě aplikovaného magnetického pole. Výsledný kompaktní toroid s vysokou beta osou je uzavřený.

A konfigurace s obráceným polem (FRC) je typ plazmového zařízení studovaného jako prostředek výroby jaderná fůze. Omezuje to a plazma na uzavřeném magnetickém siločáry bez centrálního průniku.^[1] U FRC má plazma podobu samo-stabilního torusu, podobného a kouřový kruh.

FRC jsou úzce spjaty s jinou vlastní stabilitou fúze magnetického vězení zařízení, spheromak. Oba jsou považovány za součást kompaktní toroid třída fúzních zařízení. FRC mají obvykle plazmu, která je protáhlejší než sferomaky, přičemž má spíše celkový tvar vydlabané klobásy než zhruba sférický sferomak.

FRC byly hlavní oblastí výzkumu v šedesátých a sedmdesátých letech, ale měly problémy se škálováním do praxe fúzní trojité produkty. Úroky se vrátily v 90. letech a od roku 2019^{[Aktualizace]}„FRC byla aktivní výzkumnou oblastí.

Dějiny

FRC byl poprvé pozorován v laboratořích koncem padesátých let během theta špetka experimenty s magnetickým polem s obráceným pozadím.^[2]

První studie byly na United States Naval Research Laboratory (NRL) v 60. letech. Byly shromážděny značné údaje s více než 600 publikovanými příspěvky.^[3] Téměř veškerý výzkum byl prováděn během roku Projekt Sherwood na Národní laboratoř Los Alamos (LANL) od roku 1975 do roku 1990,^[4] a během 18 let v Redmondské laboratoři fyziky plazmatu v University of Washington,^[5] s velkými s experiment (LSX).^[6]

Pozdější výzkum byl na Výzkumná laboratoř letectva (AFRL),^[7] Fusion Technology Institute (FTI) University of Wisconsin-Madison,^[8] Laboratoř fyziky plazmatu Princeton,^[9] a University of California, Irvine.^[10]

Soukromé společnosti nyní studují FRC pro výrobu elektřiny, včetně Obecná fúze, Tri-Alpha Energy, Inc., a Energie Helion.^[11]

Elektroda Lorentz Thruster (ELF) vyvinutá společností MSNW byla pokusem navrhnout zařízení pro vesmírný pohon.^[12] ELF byl kandidátem v NASA Pokročilý program elektrického pohonu NextSTEP spolu s X-3 vnořeným kanálem Hall Thruster a VASIMR^[13] před rozpuštěním MSNW.

Aplikace

Primární aplikace je pro výrobu energie z fúze.

FRC je také považován za průzkum hlubokého vesmíru, nejen jako možný zdroj jaderné energie, ale také jako prostředek k urychlení hnacího plynu na vysokou úroveň specifický impuls (Já_sp) pro elektricky poháněné kosmické lodě a fúzní rakety, se zájmem vyjádřeným NASA.^{[14][15][16][17][18]}

Srovnání

Rozdíl mezi FRC a Spheromak

Výroba fúzní energie omezením plazmy magnetickými poli je nejúčinnější, pokud siločary nepronikají pevnými povrchy, ale uzavírají se do kruhů nebo toroidních povrchů. Hlavní pojmy uvěznění tokamak a stellarator dělejte to v toroidní komoře, která umožňuje velkou kontrolu nad magnetickou konfigurací, ale vyžaduje velmi složitou konstrukci. Konfigurace s obráceným polem nabízí alternativu v tom, že siločáry jsou uzavřené, což zajišťuje dobré zadržení, ale komora je válcová, což umožňuje jednodušší a snadnější konstrukci a údržbu.^[19]

Konfigurace s obráceným polem a sféromaky jsou společně známé jako kompaktní toroidy. Spheromaks a FRC se liší tím, že sféromak má extra toroidní pole. Toto toroidní pole může probíhat stejným nebo opačným směrem jako rotující plazma.^[20] Ve sféromaku síla toroidní magnetické pole je podobné jako u magnetického pole poloidální pole. Naproti tomu FRC má malou až žádnou složku toroidního pole a je omezena pouze poloidálním polem. Nedostatek toroidního pole znamená, že FRC nemá žádné magnetická helicita a že má vysoká beta. Díky vysoké beta je FRC atraktivní jako fúzní reaktor a dobře se hodí automaticky paliva kvůli nízkému požadovanému magnetickému poli. Spheromakové mají β ≈ 0,1, zatímco typický FRC má β ≈ 1.^[21][22]

Formace

Rozměry FRC, včetně S-parametru.

V moderních experimentech FRC může být plazmový proud, který obrací magnetické pole, indukován různými způsoby.

Když se vytvoří konfigurace s obráceným polem pomocí theta-špetka (nebo indukční elektrické pole) metoda, válcová cívka nejprve produkuje axiální magnetické pole. Poté je plyn předionizován, což „zamrzne“ v předpětí z a magnetohydrodynamický hledisko, nakonec je axiální pole obráceno, tedy „konfigurace s obráceným polem“. Na koncích dojde k opětovnému připojení zkresleného pole a hlavního pole, čímž vzniknou uzavřené siločáry. Hlavní pole se dále zvyšuje, stlačuje a zahřívá plazmu a poskytuje vakuové pole mezi plazmou a stěnou.^[23]

Je známo, že neutrální paprsky pohánějí proud dovnitř Tokamakové^[24] přímým vstřikováním nabitých částic. FRC lze také vytvářet, udržovat a zahřívat aplikací neutrálních paprsků.^[22][25] V takových experimentech, jak je uvedeno výše, válcová cívka vytváří rovnoměrné axiální magnetické pole a zavádí se a ionizuje plyn, čímž se vytváří plazma pozadí. Neutrální částice se poté vstřikují do plazmy. Ionizují a těžší, kladně nabité částice tvoří proudový kruh, který obrací magnetické pole.

Spheromaks jsou konfigurace podobné FRC s konečným toroidním magnetickým polem. FRC byly vytvořeny sloučením sféromaků opačného a rušení toroidního pole.^[26]

Rotující magnetická pole byla také použita k pohánění proudu.^[27] V takových experimentech, jak je uvedeno výše, je plyn ionizován a je vytvářeno axiální magnetické pole. Rotující magnetické pole je vytvářeno vnějšími magnetickými cívkami kolmo k ose stroje a směr tohoto pole se otáčí kolem osy. Když je frekvence otáčení mezi iontovými a elektronovými gyrofrekvencemi, elektrony v plazmě rotují spolu s magnetickým polem (jsou „taženy“), produkují proud a obracejí magnetické pole. Více nedávno, takzvaná lichá parita rotujících magnetických polí^[28] byly použity k zachování uzavřené topologie FRC.

Oběžné dráhy jednotlivých částic

FRC trajektorie částic, ve které částice začíná cyklotronovým pohybem uvnitř nuly, přechází do betatronového pohybu a končí jako cyklotronový pohyb mimo nulovou hodnotu. Tento pohyb je ve středové rovině stroje. Cívky jsou nad a pod obrázkem.

FRC obsahují důležitou a neobvyklou vlastnost: „magnetickou nulovou hodnotu“ nebo kruhovou čáru, na které je magnetické pole nulové. To je nutně případ, protože uvnitř nuly magnetické pole ukazuje jeden směr a mimo nuly magnetické pole ukazuje opačný směr. Částice daleko od nulové stopy uzavíraly oběžné dráhy cyklotronu jako v jiných geometriích magnetické fúze. Částice, které procházejí nulou, však nesledují cyklotron nebo kruhové dráhy, ale betatron nebo oběžné dráhy podobné osmičkám,^[29] protože zakřivení oběžné dráhy mění směr, když prochází magnetickou nulou.

Protože oběžné dráhy částice nejsou cyklotron, modely chování plazmy založené na pohybu cyklotronu magnetohydrodynamika (MHD) jsou nepoužitelné v oblasti kolem hodnoty null. Velikost této oblasti souvisí s s-parametrem,^[30] nebo poměr vzdálenosti mezi nulou a separatrixem a gyroradius tepelného iontu. Při vysokých hodnotách většina částic nepřekročí nulu a tento účinek je zanedbatelný. Při nízkých s, ~ 2, tento efekt dominuje a FRC se říká spíše „kinetický“ než „MHD“.

Stabilita plazmy

Při nízkém s-parametru následuje většina iontů uvnitř FRC velká betatron oběžné dráhy (jejich průměr gyroradius je přibližně poloviční velikosti plazmy), které jsou typické pro fyzika akcelerátoru spíše než fyzika plazmatu. Tyto FRC jsou velmi stabilní, protože plazmě nedominují obvyklé malé gyroradiové částice jako jiné termodynamická rovnováha nebo netermální plazma. Jeho chování není popsáno klasikou magnetohydrodynamika, proto nejsou žádné Alfvénovy vlny a téměř ne Nestability MHD navzdory jejich teoretické predikci,^{[Citace je zapotřebí ]} a vyhýbá se typickému „anomálnímu přenosu“, tj. procesům, při nichž dochází k nadměrné ztrátě částice nebo energie dojde.^[31][32][33]

Jak 2000^{[Aktualizace]}, studuje se několik zbývajících nestabilit:

• The režimy náklonu a posunu. Tyto nestability lze zmírnit buď zahrnutím pasivního stabilizačního vodiče, nebo formováním velmi zploštělý plazma (tj. velmi protáhlá plazma),^[34] nebo vytvořením toroidního pole vytvořeného samostatně.^[35] Režim náklonu byl také stabilizován v experimentech FRC zvýšením ion gyroradii.^[30]
• The magnetorotační nestabilita. Tento režim způsobuje rotující eliptické zkreslení hranice plazmy a může zničit FRC, když se zkreslená plazma dostane do kontaktu s omezovací komorou.^[36] Úspěšné stabilizační metody zahrnují použití kvadrupólového stabilizačního pole,^[37][38] a účinky rotujícího magnetického pole (RMF).^[39][40]

Experimenty

Pohon kosmické lodi

Pro pohon kosmických lodí byla uvažována zařízení s konfigurací s obráceným polem. Nakloněním stěn zařízení směrem ven lze plazmoid urychlit v axiálním směru a ven ze zařízení, čímž se vytvoří tah.

Viz také

• Seznam článků o plazmě (fyzice)

externí odkazy

• Techtalks Google: Nuclear Fusion: Čistá síla pro příštích sto století
• University of Washington „Úvod FRC“

Reference