Feltomvendt konfigurasjon - Field-reversed configuration

Feltomvendt konfigurasjon: En toroidal elektrisk strøm induseres i et sylindrisk plasma, noe som lager et poloidalt magnetfelt, reversert i forhold til retningen til et eksternt påført magnetfelt. Den resulterende høy-beta akse-symmetriske kompakte toroid er selvbegrenset.

En feltomvendt konfigurasjon ( FRC ) er en type plasmaenhet som er studert som et middel til å produsere kjernefusjon . Det begrenser et plasma på lukkede magnetiske feltlinjer uten en sentral gjennomtrengning. I en FRC har plasmaet form av en selvstabil torus, som ligner på en røykring .

FRC er nært beslektet med en annen selvstabil magnetisk inneslutningsfusjonsenhet , sfæromak . Begge anses som en del av den kompakte toroideklassen av fusjonsenheter. FRC har normalt et plasma som er lengre enn sfæromakker, og har den generelle formen til en uthult pølse i stedet for den omtrent sfæriske sfæromak.

FRC var et stort forskningsområde på 1960-tallet og inn på 1970-tallet, men hadde problemer med å skalere seg til praktiske fusjons-tredobbelte produkter . Interessen kom tilbake på 1990-tallet, og fra og med 2019 var FRC et aktivt forskningsområde.

Historie

FRC ble først observert i laboratorier på slutten av 1950-tallet under teta-klypeeksperimenter med et reversert bakgrunnsmagnetisk felt.

De første studiene var på United States Naval Research Laboratory (NRL) på 1960-tallet. Det ble samlet inn betydelige data med over 600 publiserte artikler. Nesten all forskning ble gjennomført i prosjektet Sherwood ved Los Alamos National Laboratory (LANL) 1975-1990, og under 18 år ved Redmond Plasma Physics Laboratory av University of Washington , med stor s eksperimentet (LSX).

Senere forskning var ved Air Force Research Laboratory (AFRL), Fusion Technology Institute (FTI) ved University of Wisconsin-Madison , Princeton Plasma Physics Laboratory og University of California, Irvine .

Private selskaper studerer nå FRCer for strømproduksjon, inkludert General Fusion , TAE Technologies og Helion Energy .

Elektroden Lorentz Thruster (ELF) utviklet av MSNW var et forsøk på å designe en romfremdrivningsenhet. ELF var kandidat i NASAs NextSTEP avanserte elektriske fremdriftsprogram, sammen med X-3 Nested-Channel Hall Thruster og VASIMR før MSNW ble oppløst.

applikasjoner

Den primære applikasjonen er for fusjons kraftproduksjon.

FRC blir også vurdert for dyp romforskning , ikke bare som en mulig kjernekraftkilde, men som middel for å akselerere et drivmiddel til høye nivåer av spesifikk impuls (I _sp ) for elektrisk drevne romskip og fusjonsraketter , med interesse uttrykt av NASA .

Sammenligninger

Forskjellen mellom en FRC og en Spheromak

Å produsere fusjonskraft ved å begrense plasmaet med magnetiske felt er mest effektivt hvis feltlinjene ikke trenger inn i faste overflater, men lukker seg i sirkler eller toroideflater. Hovedlinjebegrensningskonseptene til tokamak og stellarator gjør dette i et toroidalt kammer, som gir stor kontroll over den magnetiske konfigurasjonen, men krever en veldig kompleks konstruksjon. Den feltvendte konfigurasjonen tilbyr et alternativ ved at feltlinjene er lukket, noe som gir god inneslutning, men kammeret er sylindrisk, noe som muliggjør enklere, enklere konstruksjon og vedlikehold.

Feltomvendte konfigurasjoner og sfæromakker er sammen kjent som kompakte toroider . Sfæromakker og FRC skiller seg ut ved at en sfæromak har et ekstra toroidefelt. Dette toroidefeltet kan løpe i samme eller motsatt retning som det roterende plasmaet. I sfæromak er styrken til det toroidale magnetfeltet lik den for det poloidale feltet . Derimot har FRC liten eller ingen toroidefeltkomponent og er begrenset utelukkende av et poloidalt felt. Mangelen på et toroidefelt betyr at FRC ikke har magnetisk helisitet og at den har høy beta . Den høye betaen gjør FRC attraktiv som en fusjonsreaktor og velegnet til aneutroniske drivstoff på grunn av det lave nødvendige magnetfeltet. Sfæromakker har β  ≈ 0,1, mens en typisk FRC har β  ≈ 1.

Dannelse

Dimensjonene til en FRC, inkludert S-parameteren.

I moderne FRC-eksperimenter kan plasmastrømmen som reverserer magnetfeltet induseres på en rekke måter.

Når en feltomvendt konfigurasjon dannes ved hjelp av metafetmetoden (eller induktivt elektrisk felt), produserer en sylindrisk spole først et aksialt magnetfelt. Deretter blir gassen preionisert, som "fryser" i skjevhetsfeltet fra et magnetohydrodynamisk synspunkt, til slutt blir det aksiale feltet reversert, derav "feltomvendt konfigurasjon." I endene oppstår tilkobling av forspenningsfeltet og hovedfeltet, og produserer linjer med lukkede felt. Hovedfeltet heves ytterligere, komprimerer og varmes opp plasmaet og gir et vakuumfelt mellom plasmaet og veggen.

Det er kjent at nøytrale bjelker driver strøm i Tokamaks ved å direkte injisere ladede partikler. FRC kan også dannes, opprettholdes og oppvarmes ved påføring av nøytrale bjelker. I slike eksperimenter, som ovenfor, produserer en sylindrisk spole et jevnt aksialt magnetfelt og gass blir introdusert og ionisert, og skaper et bakgrunnsplasma. Nøytrale partikler injiseres deretter i plasmaet. De ioniserer og de tyngre, positivt ladede partiklene danner en strømring som reverserer magnetfeltet.

Sfæromakker er FRC-lignende konfigurasjoner med endelig toroidmagnetfelt . FRC er blitt dannet gjennom sammenslåing av sfæromakker med motsatt og avbrytende toroidefelt.

Roterende magnetfelt har også blitt brukt til å drive strøm. I slike eksperimenter, som ovenfor, ioniseres gass og det produseres et aksialt magnetfelt. Et roterende magnetfelt produseres av eksterne magnetiske spoler vinkelrett på maskinens akse, og retningen til dette feltet roteres rundt aksen. Når rotasjonsfrekvensen er mellom ion- og elektron-gyrofrekvensene, roterer elektronene i plasmaet med magnetfeltet ("dras"), og produserer strøm og reverserer magnetfeltet. Mer nylig har såkalte oddsparitetsroterende magnetfelt blitt brukt for å bevare den lukkede topologien til FRC.

Enkeltpartikkelbaner

FRC-partikkelbane der en partikkel starter med cyklotronbevegelse inne i null, overgår til betatronbevegelse og slutter som cyklotronbevegelse utenfor null. Denne bevegelsen er i maskinens midtplan. Spoler er over og under figuren.

FRC-er inneholder en viktig og uvanlig funksjon: en "magnetisk null", eller sirkulær linje der magnetfeltet er null. Dette er nødvendigvis tilfelle, da magnetfeltet peker i retning mot null, og utenfor null viser magnetfeltet motsatt retning. Partikler langt fra nullspor lukket syklotronbaner som i andre magnetiske fusjonsgeometrier. Partikler som krysser null, sporer imidlertid ikke cyklotron eller sirkulære baner, men betatron eller figur-åtte-lignende baner, ettersom kretsløpet i bane endrer retning når den krysser magnetisk null.

Fordi partikkelens baner ikke er cyklotron, er modeller av plasmadferd basert på cyklotronbevegelse som magnetohydrodynamikk (MHD) ikke anvendelige i regionen rundt null. Størrelsen på denne regionen er relatert til s-parameteren, eller forholdet mellom avstanden mellom null og separatrix, og termisk ion gyroradius. På high-s krysser de fleste partikler ikke null, og denne effekten er ubetydelig. Ved low-s, ~ 2 dominerer denne effekten, og FRC sies å være "kinetisk" i stedet for "MHD."

Plasmastabilitet

Ved lave s-parameteren, de fleste ioner inne i et FRC følge store betatron- baner (deres gjennomsnittlige gyroradius er omtrent halvparten av størrelsen av plasma) som er typiske i akseleratorfysikk i stedet for plasma-fysikk . Disse FRC-ene er veldig stabile fordi plasmaet ikke domineres av vanlige små gyroradius-partikler som andre termodynamiske likevekt eller ikke-termiske plasmaer . Dens oppførsel er ikke beskrevet av klassisk magnetohydrodynamikk , derfor er det ingen Alfvén-bølger og nesten ingen MHD-ustabilitet til tross for deres teoretiske prediksjon, og den unngår den typiske "anomale transporten", dvs. prosesser der overflødig tap av partikler eller energi oppstår.

Fra og med 2000 studeres flere gjenværende ustabiliteter:

• De tilt og shift moduser . Disse ustabilitetene kan avbøtes ved å inkludere en passiv stabiliserende leder, eller ved å danne veldig avlaterte plasmaer (dvs. veldig langstrakte plasmaer), eller ved å lage et selvgenerert toroidefelt. Vippemodus har også blitt stabilisert i FRC-eksperimenter ved å øke ion gyroradii.
• Den magnetorotasjonelle ustabiliteten . Denne modusen forårsaker en roterende elliptisk forvrengning av plasmagrensen, og kan ødelegge FRC når det forvrengte plasmaet kommer i kontakt med inneslutningskammeret. Vellykkede stabiliseringsmetoder inkluderer bruk av et kvadrupolstabiliseringsfelt og effekten av et roterende magnetfelt (RMF).

Eksperimenter

Romfart fremdrift

Felt reverserte konfigurasjonsenheter har blitt vurdert for fremdrift av romfartøy. Ved å vippe enhetens vegger utover, kan plasmoid akselereres i aksial retning og ut av enheten, og generere skyvekraft.

Se også

• Liste over plasma (fysikk) artikler

Eksterne linker

• Google techtalks: Nuclear Fusion: Ren kraft i de neste hundre århundrene
• University of Washington "FRC Introduction"

Referanser